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        超聲速民機(jī)動(dòng)力發(fā)展分析

        2023-07-05 08:27:54韓玉琪中國(guó)航發(fā)研究院
        航空動(dòng)力 2023年3期
        關(guān)鍵詞:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

        ■ 韓玉琪/中國(guó)航發(fā)研究院

        超聲速民用飛機(jī)對(duì)于跨洋航線等長(zhǎng)距離、長(zhǎng)航時(shí)航線具有顯著優(yōu)勢(shì),是未來(lái)民機(jī)發(fā)展的重要方向。近年來(lái),隨著包括動(dòng)力在內(nèi)的航空技術(shù)水平的提升,傳統(tǒng)的制約民用超聲速飛行發(fā)展的因素逐漸消除,超聲速民機(jī)再次成為全球航空業(yè)的研究熱點(diǎn)。

        超聲速飛行并非新鮮事物,早在1947年便首次實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代,“協(xié)和”號(hào)和圖-144等第一代超聲速民機(jī)投入運(yùn)營(yíng),美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)家和地區(qū)為搶占世界民機(jī)技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn),始終在積極開(kāi)展技術(shù)預(yù)研。隨著包括動(dòng)力在內(nèi)的航空技術(shù)水平的提升,近期有眾多商業(yè)公司,尤其是初創(chuàng)公司,推出了超聲速民機(jī)產(chǎn)品規(guī)劃??v觀超聲速民機(jī)的發(fā)展歷程,始終受制于高空空氣污染、機(jī)場(chǎng)附近噪聲和巡航聲爆等諸多難題,而動(dòng)力裝置的發(fā)展無(wú)疑是解決上述難題的關(guān)鍵。

        “協(xié)和” 號(hào)(左) 與圖-144飛機(jī)

        總體情況

        早期發(fā)展

        英法合作研制的“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)于1976年服役,依靠政府補(bǔ)貼勉強(qiáng)維持商業(yè)運(yùn)營(yíng)至2003年?!皡f(xié)和”號(hào)飛機(jī)巡航速度為馬赫數(shù)(Ma)2.02,配裝了4臺(tái)奧林帕斯(Olympus)593 MK610渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),單臺(tái)推力169.32kN。蘇聯(lián)研制的圖-144飛機(jī)1975年服役,1984 年全部退出商業(yè)航線飛行,其中載客運(yùn)營(yíng)僅半年時(shí)間,巡航速度為Ma2.2,配裝了4臺(tái)NK-144渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),單臺(tái)推力196.2kN, 或4臺(tái)RD-36-51渦 噴 發(fā)動(dòng)機(jī),單臺(tái)推力200kN。這兩者運(yùn)營(yíng)中均存在油耗高、航程短、載客少、使用成本昂貴、起降噪聲大和聲爆問(wèn)題嚴(yán)重等缺陷,而上述缺陷大多可歸結(jié)為存在“動(dòng)力不適”的問(wèn)題。

        各國(guó)掀起研發(fā)熱潮

        美國(guó)從未停止過(guò)超聲速民機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的“N+3”計(jì)劃(2008—2035年)提出了“三步走”策略,即按照聲爆水平、機(jī)場(chǎng)噪聲、巡航速度、污染物排放、航程、載客量和油耗等牽引指標(biāo)從小到大、從易到難,分為3個(gè)階段開(kāi)展技術(shù)攻關(guān),以確保所有技術(shù)在2035年達(dá)到技術(shù)成熟度6級(jí)。

        俄羅斯仍在開(kāi)展新型超聲速公務(wù)機(jī)/小型客機(jī)的相關(guān)研究,過(guò)程中非常重視改善環(huán)保性,采用了一系列先進(jìn)技術(shù)以滿足相關(guān)國(guó)家的適航標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),俄羅斯也沒(méi)有放棄由軍機(jī)改型發(fā)展超聲速民機(jī)的做法,研究在圖-22M、圖-160轟炸機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展超聲速公務(wù)機(jī)的可行性,俄羅斯的新一代超聲速公務(wù)機(jī)/小型客機(jī)有望在10年后陸續(xù)面世。

        歐洲在航空領(lǐng)域保持著技術(shù)創(chuàng)新的傳統(tǒng),對(duì)超聲速/高超聲速飛機(jī)始終予以高度重視。歐洲航天局(ESA)自2005年起實(shí)施長(zhǎng)期先進(jìn)推進(jìn)概念與技術(shù)(LAPCAT)計(jì)劃,第一階段開(kāi)展巡航速度為Ma4.5、Ma5和Ma8的3種概念飛行器研究,第二階段開(kāi)展載客量300人、巡航速度分別為Ma5和Ma8的兩種飛行器的后續(xù)研究。

        日本多年來(lái)致力于新一代超聲速民機(jī)技術(shù)的研發(fā)。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)在1997—2006年主導(dǎo)實(shí)施了國(guó)家超聲速運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)(NEXST)計(jì)劃,隨后又開(kāi)展了后續(xù)的靜音超聲速技術(shù)論證(S3TD)計(jì)劃,對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究驗(yàn)證,使飛行器具備低聲爆、低噪聲、低排放和超聲速巡航飛行能力。在此基礎(chǔ)上,JAXA提出了一種高升阻比、低噪聲、巡航速度Ma2以上、載客200 ~300人、航程11000km的超聲速民機(jī)方案。與“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)相比,該方案聲爆強(qiáng)度降低50%、噪聲降至1/10、氮氧化物排放降至1/4,且運(yùn)營(yíng)票價(jià)僅相當(dāng)于波音747飛機(jī)的1.3倍。

        商業(yè)公司推出系列產(chǎn)品規(guī)劃

        各商業(yè)公司的產(chǎn)品規(guī)劃主要針對(duì)Ma2級(jí)別(Ma1.4 ~2)和Ma5級(jí)別的民機(jī),Ma2級(jí)別的民機(jī)計(jì)劃于2025—2030年投放市場(chǎng),Ma5級(jí)別的民機(jī)計(jì)劃于2030—2050年投放市場(chǎng)。美國(guó)博姆(Boom)公司提出的“序曲”(Overture)飛機(jī)巡航速度為Ma1.7,計(jì)劃2029年進(jìn)入市場(chǎng)。美國(guó)斯派克(Spike)公司提出的S-512飛機(jī)巡航速度為Ma1.6,計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)交付。美國(guó)Exosonic公司提出了靜音超聲速客機(jī)概念,巡航速度為Ma1.8,計(jì)劃2029年飛機(jī)通過(guò)認(rèn)證。俄羅斯圖波列夫公司提出的超聲速公務(wù)機(jī)巡航速度為Ma2,計(jì)劃2026年完成詳細(xì)設(shè)計(jì)。美國(guó)赫爾墨斯(Hermeus)公司2019年公布了Ma5級(jí)高超聲速民用飛機(jī),初步目標(biāo)是在2030年前投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。波音公司2018年提出了Ma5級(jí)別的民用客機(jī),投入運(yùn)營(yíng)的時(shí)間點(diǎn)大概是2040年。

        超聲速民機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的需求

        超聲速民機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求為“四低一高”:低聲爆、低噪聲、低排放、低油耗和超聲速巡航高推力。

        感覺(jué)聲壓級(jí)75dB是陸地上空超聲速飛行的可接受聲爆水平,“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)超聲速飛行時(shí)的地面聲爆高達(dá)108dB,因而被多個(gè)國(guó)家禁止在陸地上空進(jìn)行超聲速飛行,而目前國(guó)際先進(jìn)的超聲速民機(jī)的聲爆水平為80 ~85dB。

        大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)前亞聲速民機(jī)的主流動(dòng)力,但其無(wú)法用于超聲速飛行。小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可用于超聲速飛行,但因排氣速度較高導(dǎo)致起降階段噪聲較大,亞聲速時(shí)耗油率高、污染物排放量大,不是理想的超聲速飛行動(dòng)力。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)超聲速巡航的經(jīng)濟(jì)性,新一代超聲速民機(jī)動(dòng)力需要在滿足低聲爆、低噪聲、低排放、低油耗的同時(shí),具備大推力以實(shí)現(xiàn)無(wú)加力超聲速巡航。

        對(duì)于Ma2級(jí)別的民機(jī),為了兼顧起降時(shí)的低排氣速度、亞聲速巡航時(shí)的低耗油率、超聲速巡航的大推力等矛盾需求,適合采用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)。對(duì)于Ma5級(jí)別的民機(jī),結(jié)合傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)各自的高效率工作范圍,適合以兩者為基礎(chǔ)形成渦輪基組合循環(huán)(TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)。

        超聲速飛機(jī)的軍民兩用特征

        超聲速民機(jī)及其動(dòng)力稍做改動(dòng)后即可用于軍用運(yùn)輸、偵察監(jiān)視和信息對(duì)抗等任務(wù),提升作戰(zhàn)支援保障能力。赫爾墨斯公司與美國(guó)空軍合作開(kāi)展快速評(píng)估Ma5飛機(jī)的改裝以實(shí)現(xiàn)軍事用途,該公司于2021年7月獲得美國(guó)空軍授出的為期3年的6000萬(wàn)美元科研合同,要求完成一型渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行驗(yàn)證和3架“夸特馬”(Quarterhorse)高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)的研制試飛等工作,這是美國(guó)空軍近十余年以來(lái)首個(gè)高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)研制項(xiàng)目,也是美國(guó)航空業(yè)正式獲得軍方投資開(kāi)展的高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)研制項(xiàng)目。

        近期進(jìn)展

        NASA的X-59飛機(jī)

        NASA和洛克希德-馬丁(洛馬)公司合作設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和飛行測(cè)試X-59靜音超聲速技術(shù)(Quesst)驗(yàn)證機(jī),旨在收集超聲速噪聲信號(hào)的數(shù)據(jù),可用于對(duì)地面超聲速飛行禁令的重新評(píng)估。X-59飛機(jī)的巡航高度為16800m,巡航速度為Ma1.4;動(dòng)力裝置為1臺(tái)F414-GE-100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),推力為98kN。2022年,X-59飛機(jī)進(jìn)行了縮比模型低速風(fēng)洞測(cè)試,確認(rèn)了飛控?cái)?shù)據(jù);2022年11月,F(xiàn)414-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)被安裝在X-59上,表明X-59即將完成整機(jī)組裝,經(jīng)過(guò)一系列地面試驗(yàn),將于2023年首飛;在聲學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)之后,將于2025年左右開(kāi)始數(shù)據(jù)收集飛行,目標(biāo)是及時(shí)將數(shù)據(jù)提交給國(guó)際民航組織(ICAO),隨后ICAO將審議超聲速標(biāo)準(zhǔn)。

        博姆的“序曲”飛機(jī)

        2022年1月,博姆公司開(kāi)始測(cè)試為其XB-1超聲速驗(yàn)證機(jī)提供動(dòng)力的J85渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),XB-1地面測(cè)試將驗(yàn)證所有飛機(jī)系統(tǒng)的功能,并確定每個(gè)系統(tǒng)是否符合或超過(guò)技術(shù)指標(biāo)。2022年12月,博姆公司與克雷托斯(Kratos)公司合作,為其“序曲”超聲速飛機(jī)研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)“交響樂(lè)”(Symphony)?!靶蚯憋w機(jī)配裝4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),搭載65 ~88名乘客,巡航速度Ma1.7,航程7871km,能將跨大西洋飛行時(shí)間縮短至3.5h。預(yù)計(jì)首架“序曲”飛機(jī)將于2026年出廠,次年開(kāi)始試飛,目標(biāo)是在2029年獲得認(rèn)證。“交響樂(lè)”是一型雙轉(zhuǎn)子中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括:軸對(duì)稱超聲速進(jìn)氣道、低噪聲設(shè)計(jì)的單級(jí)風(fēng)扇、被動(dòng)冷卻的高壓渦輪、無(wú)加力燃燒室、可變幾何形狀的低噪聲噴管。

        赫爾墨斯的系列飛機(jī)

        2022年6月,赫爾墨斯公司宣布,已完成首架高超聲速飛機(jī)“夸特馬”的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)“奇美拉”(Chimera)的地面試驗(yàn),驗(yàn)證了該發(fā)動(dòng)機(jī)可在地面上實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)運(yùn)行。2022年11月,赫爾墨斯公司完成“奇美拉”發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn):在低速時(shí),“奇美拉”處于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)(采用的J85)模式;當(dāng)速度達(dá)到Ma2時(shí),“奇美拉”的預(yù)冷器可降低來(lái)流溫度以提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能;當(dāng)速度達(dá)到約Ma3時(shí),切換到?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式。按計(jì)劃,赫爾墨斯公司將在2023年對(duì)“夸特馬”進(jìn)行首飛。同時(shí),赫爾墨斯公司正在加速開(kāi)發(fā)下一代“黑馬”(Darkhorse)高超聲速無(wú)人機(jī),“黑馬”將采用TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)“奇美拉”II。2022年12月,赫爾墨斯公司宣布采用普惠F100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為“奇美拉”II的渦輪部分,這將為赫爾墨斯公司節(jié)省數(shù)十億美元的研發(fā)成本和數(shù)年的研發(fā)時(shí)間。2023年3月,赫爾墨斯公司確定了F100發(fā)動(dòng)機(jī)的基準(zhǔn)性能,在此基礎(chǔ)上,對(duì)“奇美拉”II發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道、涵道系統(tǒng)、預(yù)冷器、沖壓燃燒室和排氣噴管等部件進(jìn)行了改造。F100能夠?qū)w機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到Ma2.8,然后過(guò)渡到?jīng)_壓模態(tài),進(jìn)而將飛機(jī)加速至Ma5的目標(biāo)速度。赫爾墨斯公司計(jì)劃在2024年進(jìn)行“奇美拉”II發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試?;凇昂隈R”平臺(tái)開(kāi)發(fā)、飛行試驗(yàn)、適航和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),可為赫爾墨斯公司開(kāi)發(fā)的商用20座、Ma5級(jí)高超聲速客機(jī)“翡翠鳥(niǎo)”(Halcyon)提供參考。

        “交響樂(lè)”發(fā)動(dòng)機(jī)

        “奇美拉”發(fā)動(dòng)機(jī)完成模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)

        結(jié)束語(yǔ)

        超聲速民機(jī)可持續(xù)牽引先進(jìn)航空技術(shù)研發(fā),是世界民機(jī)技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。同時(shí),有預(yù)測(cè)認(rèn)為,新一代超聲速民機(jī)有望在2025—2030年投入商業(yè)客運(yùn),將極大改變商用航空規(guī)則,超前布局新一代低噪聲、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的綠色超聲速民機(jī)動(dòng)力十分必要。

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