我们的志向是广阔宇宙,这反映出中国近年来整体实力的明显增强,并带来了相应的民族自信。在航天航空制造方面,我们已从以往的被动跟随阶段,逐步成长为行业先进水平的一员,并且正朝着未来开创全球科技新局面的方向迈进。
最近,西安航天动力研究所的官方公众号发布了一篇标题为《十年艰苦探索历程,一飞冲天响彻云霄——我们研发的某组合动力发动机首飞成功》的文章,文中指出国产新型组合动力发动机的验证装置实施了首次飞行试验,并且“发动机各项指标都好于地面测试数据和事先设想,试验获得了极其理想的成果”。此外也说明,组合动力的核心构思在于融合火箭推进系统、超音速冲压发动机以及飞机用动力装置等多样动力类型,互相补充优势。
这篇文章在揭示国内新装备方面,延续了那种含蓄不明的表达习惯,不过其中还是包含了一些特别值得深入探究的内容。
美国在上世纪60年代装备的SR-71“黑鸟”战略侦察机,曾创下多项飞行高度与速度的航空器纪录,其采用的J-58变循环发动机属于组合式设计,将涡轮喷气发动机和冲压发动机巧妙融合在了一起:由涡喷发动机推动战机加速至时速2马赫以上,接着冲压发动机启动,从而达成3马赫以上的飞行速度。
如今SR-72无人高超音速飞行器计划中,洛克希德·马丁公司声称其极速可达6马赫,从而跻身高超音速飞行器之列。然而现阶段,该项目的进展似乎并不顺利,首飞时间一再推迟。SR-72和SR-71类似,采用涡轮喷气发动机和冲压发动机的组合方式,不过为了达到6马赫的飞行速度,会选用推力更大的超燃冲压发动机。
那么,一个难题就显现出来,超燃冲压发动机在启动时,要求进气道中的空气流速超过3马赫,然而当前的技术条件下,涡喷发动机所能达到的最高速度大约是2.5马赫,这个速度无法满足超燃冲压发动机的要求。可以说,SR-72的主要挑战就在这一点上,让洛克希德·马丁公司的设计团队感到非常棘手。
西安航天动力研究所公开的国产组合动力发动机,其构造之精妙,甚至超越SR-71“黑鸟”与SR-72,该发动机融合了三种动力系统:火箭动力、冲压动力以及航空动力,其中航空动力部分,虽然没有明确说明具体类型,但极有可能采用涡轮喷气式发动机。与当前广泛应用的涡轮风扇引擎不同,涡轮喷气引擎的推力系数和燃料消耗率均显不足,涡轮风扇引擎却更擅长在跨音速区域运行,而涡轮喷气引擎则专精于超音速飞行。
这样推敲下来,国产组合动力发动机的运作流程或许是这个样子:首先开启涡轮喷气发动机,等速度超过两马赫之后,再点火火箭发动机,使飞行器的速度增至三马赫以上,从而满足冲压发动机的启动条件,最后由冲压发动机继续提升飞行器的速度。
这项工作涉及的技术难点非常突出,需要处理各种复杂的气流状态。在进气系统方面,必须适应从亚音速到超音速,甚至更高速度的空气流动。发动机燃烧室的设计则要同时满足超燃冲压发动机和火箭发动机的不同工作模式。随便挑选任何一个部件,都代表着世界级的攻克难题。
值得留意的是,国产组合动力发动机里的火箭发动机或许并不仅仅用于点燃超燃冲压发动机。设想一下,倘若飞行器在超燃冲压发动机的驱动下,大概能接近挣脱地球吸引力的速度,那么在突破大气层时,冲压发动机会由于空气极其稀少而无法继续运作,这种情况下若要进一步加快速度,就必须让火箭发动机启动,从而尝试进入轨道。
由此可见,国产组合动力发动机存在两种潜在用途,既需满足大气层内超音速飞行要求,也或可让飞行器转型为空天飞机,并且研发进程已超越SR-72。