■ 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)。

連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)概述

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]。

連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在亞聲速客機(jī)的應(yīng)用展望

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

連續(xù)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在未來超聲速客機(jī)的應(yīng)用前景

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。

結(jié)束語

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。