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根据美国宇航局官方网站披露的信息,该机构位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心完成了一次旋转爆炸火箭发动机的测试,这种发动机在运转时能够产生5,800磅的推力,折合约2.6吨,并且这一发动机的运行时间创造了同类产品的新纪录,达到了251秒。
另据消息透露,日本这个在爆震发动机研制方面有显著成就的国家,已将此类发动机送入高空进行试验,试验结果令人满意,中国在相关领域起步较晚,但发展迅速,目前进展怎样,在爆震发动机技术研究上是否有所滞后?
NASA爆震引擎推力3吨:RDRE是什么发动机?
NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的工程师托马斯·蒂斯利谈到,RERE已经实施过两次试验,最近一次是在2022年夏天开展的,该次试验持续了将近一分钟,产生的推力为4000磅,折合约1.8吨,而本次试验的结果比上一次更为显著,或许还能让这种发动机适用于多种推力级别。
RDRE 大幅提升了设计效能,他强调:这显示我们离研发轻型推进装置更近了,未来能将更多物资和有效载荷送往遥远的太空深处。托马斯·蒂斯利另外表示,该型推进装置适用于各类航天飞行器,能够全面整合并优化其动力输出,满足多样化作业需求,涵盖从着陆工具到助推火箭,乃至超音速反向飞行控制(一种减速能力),从而让更重的货物(包括载人设备)得以成功送达火星地表。
RDRE是什么发动机?
RDRE代表旋转爆震火箭发动机,这个名称读起来有些费劲,引擎本身构造同样不简单,接下来将对其略作介绍,以便读者有个初步了解。
首先需要指出,这同样属于喷气式发动机类型,其工作方式却与活塞式发动机的燃烧机制类似,属于一种全新的发动机体系,即采用“爆炸燃烧”原理的机型,其核心是将空气和燃料在燃烧室内以爆炸性的比例混合,随后通过点燃引发爆炸,从而实现能量的快速释放。
它的燃烧焰面推进速率可达到5-6倍音速以上,并且爆炸时会引发超强压力波扩散,气体喷射速率十分迅猛,燃料消耗效能远胜于常规燃烧的喷气装置,这类发动机被视为未来动力系统的优选方案,世界各国目前正致力于提升其重量比推力与总推力水平。
旋转爆震是爆震发动机的一个关键进展,现阶段爆震发动机主要有脉冲爆震,旋转爆震和斜爆震这三种类型,脉冲爆震的燃烧空间是分离的,其进气,燃烧和排气过程非常繁琐,爆震的次数难以提升,导致动力和动力效率都受到限制,所以现在常采用多个爆震管组合的方式,这种方式目前也有新的进展,但爆震的次数依然面临限制。
单管的PDE
第二种是回旋爆震的构造,这种爆震引擎构思巧妙,把环形燃烧腔体通过进气通道划分成若干个爆震燃烧单元,启动时沿着环形燃烧腔体不断循环爆震,因此得名回旋爆震,这种爆震引擎的频率可以调节,多个进气通道能够合并成一个爆震单元,是当前发展速度最快的爆震引擎,推力最强的型号如NASA研发的已经达到2.6吨以上。
另有一种是斜向爆震发动机,此类发动机与超音速冲压发动机有相似之处,但二者在燃烧方式上存在差异,前者采用间歇性爆震燃烧,对运行条件极为严苛,仅在8至10马赫的高速条件下才可点燃进行试验,因此能够进行此类发动机测试的试验设施十分有限,我国拥有最高速达30马赫的JF-22试验风洞,在全球处于领先地位,有媒体报道曾指出我国斜向爆震发动机取得重大技术突破。
这三类引擎的长处在于,它们的运行速度范围极广,涵盖了从静止到超音速的所有区间,而且这种引擎的设计中,完全不见涡轮发动机那种繁复的涡轮组件,因此维修起来相当简便,同火箭及各类飞行器用发动机相比,具备显著的优越性。
RDRE旋转爆震发动机是一种融合了旋转爆震技术与火箭原理的推进系统,其中斜爆震技术之外,脉冲爆震和旋转爆震两种方式均可在零速度条件下顺利启动,展现出优异的性能表现,不过该类型发动机属于吸气式装置,其有效工作高度大约在30至40千米范围,一旦超越这个高度,由于氧气供应不足将无法继续运行,对于空天飞机而言,在这个阶段必须转换为火箭动力模式才能维持飞行。
当前设想的航天飞机都是通过多种发动机组合来运作的,例如涡轮喷气发动机、超燃冲压发动机和火箭发动机的组合使用,这种发动机构造十分复杂,而且重量相当可观。那么是否存在一种发动机能够从地面零速度直接飞入外太空,并且无需转换模式呢?答案是确实存在的,只要将爆震发动机调整为火箭工作状态即可实现这一目标。
封闭爆震发动机的进气通道,向通道内填充氧气,之后再掺和燃料,这样爆震发动机就转化成了爆震火箭,其长处显而易见,燃料的利用程度比单纯的火箭推进器要强很多,不过,在火箭技术范畴内,通常都是用比冲这个指标来评估推进器的效能
根据《航空动力》杂志刊登的研究文章,与同等推力的普通火箭推进系统比较,循环爆震式火箭推进器的动力输出增长了百分之十,其有效比冲也提升了百分之十到十五之间。
比如通常的偏二甲肼和四氧化二氮的火箭推力比冲大约在270,分级燃烧的煤油发动机能达到330,膨胀循环的氢氧推进器能到450,火箭的推力比冲进步十分艰难,旋转爆震发动机直接就能将推力比冲增加十分之一以上,这可是相当不容易的突破。
NASA的RDRE在什么水准?
笔者可以如此说明,在公开的RDRE试验里,NASA不仅获得了推力方面的领先地位,还实现了大推力状态下最长持续运行时间的记录,其发动机能够产生2.6吨的推力,倘若依据航空动力学的标准来估算,这一推力水平大约足以驱动一个重达10吨的飞行器,但这类发动机属于火箭动力系统,主要应用于近地轨道航天器,或是执行从地球前往月球及火星任务的航天器。
从近地轨道前往火星,推力与重力的比值并非依据地面飞行器的标准来衡量,关键在于衡量比冲,由于即便在几十牛的恒定推力作用下,也能实现极高的飞行速度,倘若能产生几百牛的推力,那么抵达火星的周期将有望从半年缩短为数月,而倘若能产生几千牛的推力,那么所需时间或许能压缩至一月以内,甚至更短。
NASA的RDRE推进系统,虽然拥有2.6吨推力,却无法让火星任务行程进一步压缩,原因是参照的离子推进器,其比冲达到了1500到3000的范围,而RDRE仅能将比冲提升15%,尚未达到同等水准,不过,借助RDRE,飞行时间能减少半个月,或者由于燃料需求降低,费用能节省数千万美元。
日本已完成太空测试: 中国进展怎样了?
美国航天局发展态势良好,不过令人惊讶的是岛国在该领域同样取得了显著成就,并且早已实施过太空验证!二零二一年七月二十七日,日本宇宙航空研究开发机构顺利验证了一款以碳氢化合物与氧气为燃料的回转振动式火箭推进装置
7月27日凌晨5点30分,日本鹿儿岛内之浦航天发射中心,一枚S-520-31探空火箭按计划升空,该火箭具备将100千克有效载荷送至300千米高空的能力,此次任务搭载的载荷为一台RDRE发动机,在火箭第一级脱落之后,RDRE发动机开始运转,持续了约6秒,随后另一种PDE发动机即脉冲爆震发动机被点燃,运行了2秒时间。
JAXA公布的资料显示,探空火箭搭载的RDRE发动机可提供500牛的推力,该机构同时指出,虽然现阶段推力数值尚属偏低,但这类发动机的燃料经济性十分出色,能够借助更少的燃料和更轻的构造抵达外层空间,属于极具发展潜力的推进系统,JAXA还透露,计划于五年内实现此项技术的实际部署。
日本的RDRE发动机水平如何?
笔者查阅了相关文献,在2021年7月27日进行过一次测试,另外在2023年2月27日也实施过另一次测试,该测试同样以S-520-31探空火箭的第二级为载体,接下来是这次测试的具体信息:
这个指标的表现算不上突出,特别是与NASA在马歇尔太空中心首次测试的成果相比,差距明显,NASA于2023年1月25日在马歇尔太空中心测试RDRE发动机,其峰值推力达到了17.78kN(1.8吨),而平均燃烧室压力则高达4.29MPa,这一数值刷新了同类发动机有记录以来的最高纪录,当然,12月20日进行的测试推力记录比上一次测试还要强。
中国的RDE发动机水平如何?
中国对于RDE发动机的研究信息披露不多,特别是涉及详细参数的内容,往往是一篇晦涩难懂的文献,不过大家不必在意这个情况,我们在RDE领域的研究也有对外公开的成果,比如今年9月,在西北某处机场进行了FB-1旋转爆震发动机的测试,该发动机被安装在无人机上,从机场升空,飞行了大约十几分钟之后返回了原地。
该FB-1发动机由国内一家民营推力比企业研发而成,其产生的推力数值尚未对外披露,但今年三月公开的推重比测试显示,这款发动机达到了1000牛级别,相当于100公斤级别,目前能够应用于无人机领域,可以说已经具备批量生产的能力。
FB-1是种自吸式旋转爆震发动机,属于RDE类型,仅限于在大气层中运行,与RDRE分属不同发展方向,但中国并未公布RDRE的测试信息,所以难以评估,不过RDE技术已经非常成熟,完全能够辅助RDRE的研究,毕竟这两种技术的基础是相同的。
务必留意,该公司仅是私营企业,这款百公斤推力的发动机已上市销售,因此,知名大学及科研单位的研究成果,其性能参数应当更为优越,例如二零二二年一月二十四日,清华大学航天系发布过关于回转爆震发动机的成果,然而其公布内容并未包含具体性能指标。
第一级火箭与后续部分分离之后,开始向燃料箱注满燃料并提高推进速度,煤油通过雾化装置喷射到燃烧室中,整个动力系统开始正常运行,燃烧室转为飞行模式,发动机得到稳定动力,试验过程顺利结束,结果非常理想。
无法解读这种发动机的参数,当前这项研究还有西工大以及官方多家研究机构参与,虽然不清楚中国目前的研究程度,但可以确定的是,中国在常规航空喷气发动机领域确实存在差距,目前WS-15的出现仅能达到美国过去的水平,但在新型发动机研制方面却一直保持领先,甚至在某些研究方向上已经领先世界。
因此大家不必担忧了,日本这方面的能力确实没什么值得称道的,NASA的技艺相当出色,但无法获取国内的研究资料,因而难以进行评估,依我之见,中国的实力绝不算弱,或许能与NASA相媲美,甚至可能超越对方。