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全球高超声速动力推进技术发展汇总

发布于:2023-11-17 03:31:14  来源:常见问题  点击量:14次

  近年来,高超声速飞行器变成全球各国争相研究的热点课题,而研发高超声速飞行器的最大阻碍之一就是其动力系统的开发。目前世界上现有的动力系统中,航空发动机、火箭发动机、冲压发动机以及活塞发动机各有各的优势与劣势。但任何一款单独的发动机,都难以满足高超声速飞行器动力系统的宽范围、高可控、高可靠的需求。

  目前,高超声速推进技术探讨研究的热点最重要的包含碳氢燃料吸气式超燃冲压技术和组合循环发动机技术。在超燃冲压技术方面,美国从1995年开始实施HyTech高超声速技术计划研究亚燃/超燃冲压发动机在高超声速飞行器上的适用性。

  2003年,HyTech计划更名为高超声速超燃冲压发动机技术(HySET)计划,研究利用可变几何进气道实现超燃 冲压发动机亚燃/超燃双模态工作的技术,并于2005年完成了地面试验验证。2013年,X-51A飞行器完成了以5.1 Ma的速度飞行约240 s的演示验证飞行试验,标志进入技术应用阶段。2016年,X-51A的后继研究项目——高超声速吸气式武器概念计划(HAWC)郑重进入以模型试制阶段。超燃冲压发动机从概念提出到至今已经过了数十年的发展,研究根据结果得出8 Ma以下的超燃冲压发动机在原理上是可行的。美国在已经实现了4~6 Ma的可靠点火、稳定燃烧释热以及亚燃和超燃模态的正常工作,双模态亚燃/超燃冲压技术已接近成熟,有望实现工程实际应用。未来,超燃冲压发动机在研制过程中面临的主要挑战包括整机进气道和尾喷管的进排气流道匹配设计、超声速流动燃烧组织技术、超燃冲压发动机热防护技术等。

  在组合循环发动机技术方面,美国进入21世纪后,开展了有关组合发动机进排气技术(2005年的“猎鹰”组合发动机测试计划FaCET)和高速涡轮性能(2003年的高超声速演示验证计划HiSTED)的基础技术探讨研究,为之后的涡轮冲压组合发动机的发展奠定了基础。2016年,洛马公司称在HTV-3X的基础上研究出了SR-72无人侦察机涡轮基组合循环发动机可用化集成方案,并且找到了一种涡轮/冲压组合发动机模态转换方法。同年,美国提出了先进全速域发动机(AFRE)项目,已启动该项目的系统模块设计、部件研发以及地面演示验证,在2020财年结束前完成AFRE发动机整机地面自由射流试验。

  2017年9月,DARPA与英国反作用发动机有限公司(REI)共同开展“佩刀”(SABRE)发动机预冷器样机(称为HTX)的高温气流试验,用于考核预冷器在Ma5高温高速气流条件下的性能。由以上分析可知,到目前为止,涡轮基组合循环发动机突破了模态转换等关键技术,进入了全尺寸地面验证试验阶段。未来,应对高马赫工作条件下带来的高温问题,对发动机涡轮、轴承进行相对有效冷却,研制在高温环境下能够持久工作的轻型部件,是关键的技术挑战之一。

  英国高超音速飞行器“云霄塔”及其发动机“佩刀”项目于2015年获得可行性验证

  2020年3月,美国初创公司赫尔墨斯(Hermeus)完成了高超声速飞机TBCC发动机缩比验证机静态和高速(Ma5)试验。其中,海平面静态试验在赫尔墨斯公司位于亚特兰大的试验成,而高速试验在普渡大学完成。

  试验用的验证机包含1台现货涡轮发动机、公司开发的预冷器和亚燃冲压发动机,以及共用的进气道和喷管。其中涡轮发动机的工作区间是Ma0~3.3,亚燃冲压发动机是Ma2.8~5。依据公司发布的试验现场图片,试验样机采用了二维喷管设计,带有控制喷管收扩的装置,喷口前端的冲压发动机或涡轮加力燃烧室部分呈圆截面构型。赫尔墨斯公司披露,目前已完成了组合动力中各动力单元单独运行的试验,接下来就是完成模态转换这一关键技术的验证。

  2020年3月,总部在美国加州的初创公司HSP(HyperSpace Propulsion)声称其正在开发一种名为高超声速混电超导冲压磁流体(Hyscram)发动机的创新型组合动力概念。公司将其定性为超导电混合TBCC发动机,在传统TBCC基础上融合了超导电力、磁流体力学(MHD)等技术,提供了一种实现从静止起动到Ma8以上飞行速度的动力方案,可用于高超声速飞机和导弹,也可用于运载系统。

  作为一种TBCC发动机,Hyscram的“涡轮”(即核心机)部分是一个配置磁悬浮风扇、压气机和涡轮级的涡扇发动机,并在轴向配置了一系列超导发电机。Hyscram发动机的“冲压”部分是环绕在核心机外围的9个亚燃/超燃双模冲压发动机。通过一个进气锥或中心锥来调节进入亚燃/超燃冲压通道的空气量,这类似于洛克希德公司SR-71所使用的设计,能够准确的通过飞行条件前后移动锥体。进气锥采用电力驱动,当移到最前端时,气流被引导到亚燃/超燃冲压通道;而当缩回时,大部分气流被分流到产生电力的涡轮核心机。项目负责人称,“涡轮+冲压+MHD”的3保险方式能保证任何时候都有推力输出。

  英国维珍银河(Virgin Galactic)公司及其子公司航天飞机(The Spaceship)于2020年8月披露了其高速飞机第一阶段设计的具体方案,与罗罗公司合作设计、开发用于高速商用飞机的超声速推进技术。维珍银河公司高速商用飞机的主要设计目标是完成一种可在全球现有机场条件下起降,飞行速度达到Ma3的三角翼飞机,可搭载9~19名乘客,飞行高度超过18000m,并且可结合客户的真实需求实现客舱布局定制(如定制商务或头等舱等)。

  英国反应发动机公司(REL)在2020年5月18日公布,该公司启动了一项概念研究,开发用于协同吸气式火箭发动机(SABRE,“佩刀”)的飞行验证高超声速试验台。该研究由英国航天局发起,将在欧洲航天局通用支持技术计划(GSTP)下进行,参与方有克兰菲尔德航空解决方案公司(包括克兰菲尔德大学)、反应发动机公司、BAE系统公司和弗诺斯特与沙利文(Frost & Sullivan)公司等。

  该项研究的目的:一是研究测试用飞行器的远期概念,这将有利于SABRE有关技术的演示验证;二是评估以SABRE为动力的飞行器在未来空间运输领域的竞争地位。反应发动机公司的SABRE研究将使得采用水平发射技术的可重复使用型太空飞行器具有成本低廉、性能可靠和响应迅速等优点,并具备快速有效的载荷返回选项。与消耗性或部分消耗性的垂直发射系统相比,具有此类特性的飞行器可降低进入太空的成本。

  2020年12月,在美国空军研究实验室(AFRL)的中等尺寸超燃冲压核心部件(MSCC)项目支持下,美国航空喷气-洛克达因公司研发的大推力超燃冲压发动机在阿诺德工程发展综合体的气动与推进试验装置(APTU)试验成了一轮为期12个月以上的地面试验,验证了发动机在不同马赫数条件下的性能,其中在高超声速条件下的工作时长累计超过了1h,并获得最大超过57.8kN的推力。公司称,与2010年的X-51A飞行器动力相比,当前的超燃冲压发动机性能和经济性都得到了很大的提升。根据美国空军的定义,中等尺寸的超燃冲压发动机是指空气流量为X-51A飞行器发动机10倍的超燃冲压发动机,主要定位为配装高超声速飞机。

  2019年年底,美国正式通过《2020财年国防授权法》,批准国防部斥资1亿美元成立联合高超声速转化办公室与高超声速研究与人才队伍发展大学联盟,旨在整合各界力量,加速美国国防部高超声速能力的发展。

  2020年4月,联合高超声速转化办公室正式成立,负责应用高超声速联盟的建立工作。6月,美国国防部研究和工程副部长办公室(OUSD)面向各机构发布征询白皮书(RWP),逐步推动应用高超声速联盟的发展。美国政府在本次发布的白皮书中对应用高超声速联盟在时间和资产金额的投入方面做了规划,希望能够通过应用高超声速联盟各成员组织,开展大量的高超声速原型开发/研究工作,研究内容将贯穿高超声速基本理论、实际应用和高级研究等所有的领域,以加速高超声速技术的发展。10月,高超声速转化办公室邀请得克萨斯农工大学建立和管理一个应用高超声速技术的大学联盟,并在未来5年的时间里,每年向其支付2000万美元的研究经费。

  2020年12月,美国第一军工企业洛克希德-马丁(洛马)公司宣布将以44亿美元收购国防工业供应商航空喷气-洛克达因公司(Aerojet Rocketdyne)。该交易预计将于2021年下半年完成,需要满足常规交易条件,包括监管批准和航空喷气-洛克达因股东的批准。

  航空喷气-洛克达因公司生产的推进系统是洛马公司航空、导弹、火控和航天业务需要的核心部件。2017年,航空喷气-洛克达因和洛马公司联合参与了美国空军研究实验室的先进全速域发动机(AFRE)项目,旨在对全尺寸TBCC发动机开展地面自由射流试验。航空喷气-洛克达因公司在2020年12月取得MSCC项目的中等尺寸超燃冲压发动机(配装高超声速飞机)地面直连试验的成功。航空喷气-洛克达因公司还在2019年收购了位于佛罗里达州的从事增材制造的3D材料技术(3DMT)公司,该企业具有开展批量生产所需的工具、方法和能力,能以经济实惠的方式生产超燃冲压发动机。

  洛马公司在2013年提出SR-72飞行器研制计划,旨在通过采用并联TBCC发动机实现Ma6飞行。此次洛马公司对航空喷气-洛克达因的收购,实现了动力和飞行器两家单位的合并,势必加速飞行器和动力的一体化研究,推进高超声速飞行器的研制。

  2020年12月10日,22350型“戈尔什科夫上将”护卫舰从白海试射了1枚3M22型“锆石”高超声速导弹,导弹飞行距离超过350km,速度超过Ma8,成功击中阿尔汉格尔斯克地区北部奇扎靶场的沿海目标。

  “锆石”高超声速巡航导弹的关键技术是采用碳氢燃料超燃冲压发动机,速度可达Ma8,发射方式包括海基、空基和陆基。自2020年10月6日首次试射,俄罗斯已成功完成了“锆石”巡航导弹的3次试射。此间,导弹的最高射程可达450km,进一步验证了其性能的持续性与稳定性,目前已被计划纳入常备武器序列。

  日本防卫副大臣山本智广于2020年7月7日参观了位于东京郊区的自卫队航空和火箭技术研究中心,并在其推特账户上发布了一张图片。据报道,图片上是一种新的高超声速反舰导弹,采用了双模态超燃冲压发动机(DMSJ)为动力。

  DMSJ是冲压发动机和超燃冲压发动机的组合,能够以多种速度飞行。该导弹将具有全天候作战能力,配备无线电和光波图像搜寻器用于识别目标。日本防卫省计划在2026年部署该导弹的早期型号,并将于2028年后部署增强型导弹。

  日本在2021年重点加速高超声速导弹总体设计技术、弹头技术、火控技术、制导技术、推进技术等关键技术成熟。根据日本2022财年国防预算,将在2022财年继续投入3432万美元用于高超声速巡航导弹导引头技术开发;另投入1.27亿美元,用于高超声速助推滑翔导弹早期原型样机研制。按照计划,日本将在2030年左右部署双模态超燃冲压动力高超声速巡航导弹,随后再部署一种改进型高超声速巡航导弹,2030年中期再部署一种高超声速助推滑翔导弹。

  印度国防研究与发展组织(DRDO)在2020年9月7日开展了高超声速技术验证机(HSTDV)飞行试验。HSTDV是一架高超声速超燃冲压演示飞行器,其技术可用于高超声速远程巡航导弹,也用于低成本发射小型卫星。

  HSTDV飞行器由固体火箭助推器带至30000m高空,在此气动隔热罩以高超声速分离,巡航飞行器从助推器分离。进气道按计划打开,高超声速燃烧室保持燃烧,巡航飞行器以Ma6的速度在飞行轨迹飞行20s以上。超燃冲压发动机在整个试验的飞行过程中运行良好。

  此外,印度正与俄罗斯合作开发“布拉莫斯”II巡航导弹,这是一种飞行速度可达Ma7的高超声速武器,从而使印度成为具备高超声速武器研发能力的国家之一。目前,该项目出现较大延误,按计划,“布拉莫斯II”将于2025年至2028年具备初始作战能力。

  2021年3月,英国反应发动机公司对全尺寸热交换器和氢预燃烧器子系统成功开展了试验,验证了向吸气式发动机核心机提供热能和空气的核心部件的设计,帮助其发动机研究进入下一阶段。反应发动机公司从事佩刀发动机的研究已有多年,致力开发Ma5一级战斗机和其他飞机用推进系统。

  美国和澳大利亚正在合作进行“南十字综合飞行研究实验”(SCIFiRE)项目,其目标是在全尺寸原型机上使用吸气式高超声速技术,开发空射高超声速巡航导弹。

  此外,波音与澳大利亚Hypersonix公司合作研究Spartan 3D打印超燃冲压发动机,其推力可使飞行器能达到Ma5~12的速度,未来或将作为三级入轨空天飞行器第二级,预计2022年交付样机。

  2021年12月3日,韩国首次推出了Hycore陆基高超声速巡航导弹原型概念。该导弹长8.7m、重2.4t,由韩国“北方天空守护者”-2C(Hyunmoo-2C)公路机动式垂直发射系统改进型发射,是韩国首个高超声速巡航导弹项目。Hycore高超声速巡航导弹配备了两级火箭助推器、双模态超燃冲压发动机、任务计算机、惯性导航系统和遥测设备。首枚Hycore目前正在组装中,韩国国防发展局的目标是在2022和2023年建造并试验两枚Hycore。

  综上,毋庸置疑,高超声速飞行器有着非常大的军事价值和潜在的经济价值,而研制出满足需求的动力装置是其成功应用的关键。通过对近年高超声速领域发展脉络的梳理,能够正常的看到,无论是在民用还是军用领域,吸气式组合动力技术依然是各国发展的重中之重。因此,除了加大对其工程应用的直接投入之外,对相关基础研究和科研管理创新的关注也不容忽视。