■ 閆鋒 魏皓然 / 中國(guó)民用航空飛行學(xué)院
被視為高超聲速飛行器理想動(dòng)力的連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),這使其不僅在軍用和航天領(lǐng)域備受關(guān)注,在民用航空領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
燃燒的形式可以分為爆燃和爆震。前者是通常意義上的燃燒,過程中已經(jīng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的分子釋放出能量,使臨近的反應(yīng)物達(dá)到足夠的能量,從而持續(xù)引起化學(xué)反應(yīng);而后者在現(xiàn)實(shí)中最為常見的就是爆炸,其化學(xué)反應(yīng)是通過爆震波來傳播的,爆震波是一種由前導(dǎo)激波與波后化學(xué)反應(yīng)放熱耦合形成的一種超聲速燃燒波[1]。爆震的傳播速度達(dá)到了千米每秒的量級(jí),而爆燃的傳播速度僅為米每秒的量級(jí)。目前,絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī),無論是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還是火箭發(fā)動(dòng)機(jī),都采用爆燃的形式,將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例,其燃燒室中所發(fā)生的爆燃反應(yīng),由于火焰?zhèn)鞑サ乃俣戎挥忻酌棵氲牧考?jí),因此,航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于進(jìn)入燃燒室的來流有著很嚴(yán)苛的要求,并且為了保證燃燒室火焰的穩(wěn)定,燃燒室也需要經(jīng)過精細(xì)而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是一種采用爆震代替爆燃的發(fā)動(dòng)機(jī),可分為駐定爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。1960年,沃伊采霍夫斯基(Voitsekhovskii)等最早提出了駐定旋轉(zhuǎn)爆震的概念,此后美國(guó)密歇根大學(xué)的亞當(dāng)森(Adamson)和尼克爾斯(Nicholls)等分析了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)用于火箭推進(jìn)的可行性。之后的數(shù)十年中,爆震發(fā)動(dòng)機(jī)并未得到多少關(guān)注,直至近些年來,駐定和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)引起了研究熱潮,但由于各自原理上的缺陷,目前已不再是關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。而連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以搭配吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī),也可以搭配火箭發(fā)動(dòng)機(jī),甚至可以實(shí)現(xiàn)變循環(huán)工作,則被認(rèn)為是相當(dāng)具有潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)。
連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是:將爆震波限定在燃燒室內(nèi),而燃燒產(chǎn)物則排出做功。爆震燃燒較為接近等容燃燒,相比于采用等壓燃燒,爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的熵增更小,擁有更高的熱效率[3]。此外,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)來流條件的要求非常低,當(dāng)來流速度為100 ~2000 m/s時(shí),均可產(chǎn)生穩(wěn)定的爆震波,從而可以大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),減輕質(zhì)量[4]。
目前,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室通常設(shè)計(jì)成環(huán)形,也有設(shè)計(jì)成圓筒形的[5],與航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常見的短環(huán)形燃燒室有相似之處,如圖1所示。當(dāng)充分摻混的燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室后,就會(huì)在爆震波的作用下燃燒。爆震波在燃燒室內(nèi)沿圓周方向傳播,不會(huì)離開燃燒室,因此,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)也稱作旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(RDE),爆震波的傳播方向始終與來流方向和排氣方向垂直,如圖2所示。圖中藍(lán)色的區(qū)域是未反應(yīng)的燃料和氧化劑,黃色部分是已燃燒產(chǎn)物。在爆震波沿周向傳播時(shí),已經(jīng)反應(yīng)的區(qū)域重新開始加注燃料。反應(yīng)的產(chǎn)物從燃燒室的后部排出。
圖1 連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面圖
圖2 爆震波在燃燒室內(nèi)的傳播
由此可見,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在一定程度上可以視作一種新型燃燒室,目前多將其應(yīng)用于火箭、沖壓和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上有很大的相似之處,可以高效地將現(xiàn)有的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)移植到連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)上,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖和推力;同樣,將連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也在進(jìn)行中,國(guó)防科技大學(xué)進(jìn)行過將連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)用于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試;此外,美國(guó)進(jìn)行過將連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試,也取得了一定程度上的成功[1]。
相比于軍用飛機(jī)和航天器,亞聲速民機(jī)對(duì)于經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性更加重視。長(zhǎng)期以來,民用發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)都更著重于增加可靠性和降低油耗,而連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有熵增較小、熱效率和比沖高的特點(diǎn),在民航領(lǐng)域也具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景。
民航發(fā)動(dòng)機(jī)提高經(jīng)濟(jì)性的措施主要包括增加壓氣機(jī)的壓縮比、加大涵道比和提高渦輪前溫度等。其中,對(duì)傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言,涵道比增加到10 : 1左右已是極限,采用齒輪傳動(dòng)技術(shù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比可以增加至15 : 1以上,但也不能無限制增大;在增加壓縮比方面,目前羅羅公司最新的“超扇”(UltraFan)發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)到了70 : 1的壓縮比,但高壓縮比也對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn);至于渦輪前溫度,也已經(jīng)達(dá)到了目前材料科學(xué)所能承受的極限。
采用連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī),或者在保持現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)下采用連續(xù)爆震的方式,如圖3所示,可以大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因?yàn)檫B續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)有著自壓縮的特點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功,減小了壓氣機(jī)的負(fù)載,相應(yīng)地減少了壓氣機(jī)的級(jí)數(shù),進(jìn)而降低對(duì)渦輪做功能力的要求[2];同時(shí),連續(xù)爆震還有更高的熱效率。除了性能以外,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)還有著更低的NOx排放[6],對(duì)環(huán)境更友好。此外,傳統(tǒng)的燃燒室需要減小空氣來流速度,并對(duì)火焰進(jìn)行穩(wěn)定,防止高速氣流將燃燒室內(nèi)的火焰吹滅,這使得燃燒室的結(jié)構(gòu)相比于連續(xù)爆震燃燒室而言復(fù)雜了不少。一般來說,在機(jī)械設(shè)計(jì)中,越簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可靠性越高,在采用了連續(xù)爆震燃燒室后,燃燒室乃至整個(gè)核心機(jī)的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。
圖3 連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
高速飛行的飛機(jī)需要采用較小涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)以降低阻力,因此,對(duì)于需要維持長(zhǎng)時(shí)間超聲速飛行的客機(jī)而言,采用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)更合理,“協(xié)和”號(hào)和圖-144超聲速客機(jī)都采用了大推力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。然而,渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率,尤其是在低速飛行時(shí)的熱效率很低。以“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)為例,由于超聲速飛行時(shí)的噪聲問題,被禁止在陸地上空以超聲速飛行,僅在大西洋上空才能進(jìn)行超聲速飛行,而其在陸地上空亞聲速飛行時(shí)耗油率很高,大約是同時(shí)代的波音747的兩倍[7]。如何滿足超聲速和亞聲速狀態(tài)對(duì)于動(dòng)力的不同需求,是決定目前新一代超聲速客機(jī)研制成功與否的關(guān)鍵之一。
以GE公司為Aerion公司的AS2超聲速客機(jī)研發(fā)的Affinity渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例,這型發(fā)動(dòng)機(jī)采用了類似于CFM56的核心機(jī),低壓轉(zhuǎn)子則經(jīng)過了重新設(shè)計(jì),由兩級(jí)風(fēng)扇和兩級(jí)渦輪組成,以便更好地適應(yīng)超聲速飛行。Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)巡航速度為Ma1.4,甚至比“協(xié)和”號(hào)的Ma1.7還低[7],這是對(duì)不同需求妥協(xié)的產(chǎn)物——采用Ma1.4的巡航速度可以在速度與航程之間取得平衡,并且AS2飛機(jī)也不是完全為超聲速巡航而設(shè)計(jì)的,兼顧了亞聲速飛行的需求,因此,Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)采用了對(duì)超聲速飛行而言非常大的涵道比(3:1)。
化解這一矛盾的另一種解決方案是采用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),如采用可以在渦扇模式和沖壓模式中切換的發(fā)動(dòng)機(jī),可以較好地平衡超聲速與亞聲速飛行對(duì)于動(dòng)力需求的矛盾。但是,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)渦扇/沖壓或渦扇/渦噴模式變循環(huán)是很復(fù)雜的。例如,SR-71偵察機(jī)便裝備了J58渦噴/沖壓變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在渦噴模式與沖壓模式之間切換,但需要結(jié)構(gòu)精密的進(jìn)氣道的配合;而GE公司為YF-23戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)的YF120發(fā)動(dòng)機(jī),采用了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)在渦噴/渦扇模式之間轉(zhuǎn)換。這些變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)并不能滿足民航飛機(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的需求,而連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)則為這一思路提供了更好的解決方案。
如前所述,連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且對(duì)來流速度要求很低的特點(diǎn)。根據(jù)仿真計(jì)算,當(dāng)來流速度小于一定值時(shí),爆轟轉(zhuǎn)變?yōu)楸?,退化為傳統(tǒng)燃燒室;而當(dāng)來流速度大于100m/s時(shí),則可以產(chǎn)生穩(wěn)定的爆轟波。若以連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)研制變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的話,可以大幅降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。以J58發(fā)動(dòng)機(jī)作為對(duì)比,J58發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式的前提是,SR-71偵察機(jī)的進(jìn)氣道通過激波對(duì)來流氣流進(jìn)行了預(yù)壓縮。一般來說,亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都需要搭配精心設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道,通過激波進(jìn)行壓縮;而連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)從原理上看,并不需要對(duì)來流進(jìn)行復(fù)雜的處理,因此可以省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜的進(jìn)氣道。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用類似于J58發(fā)動(dòng)機(jī)的方式,利用加力燃燒室形成筒狀的連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī),也可以像GE公司為F-35戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣采用三涵道構(gòu)型,將外涵道做成環(huán)狀的連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。
若采用連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)研制變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來裝備超聲速客機(jī)或公務(wù)機(jī)的話,發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較大涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)之間切換,分別適應(yīng)亞聲速飛行和超聲速飛行的需求。
連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是目前航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,雖然其技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,但已經(jīng)顯示出很高的實(shí)用價(jià)值,目前的研究和應(yīng)用研究主要集中于軍事和航天領(lǐng)域,但連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在民航領(lǐng)域也具有廣闊的前景,相信在不遠(yuǎn)的將來,這項(xiàng)技術(shù)可以大幅提升民航飛行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和快捷性。