高超音速飞行器呼之欲出

2019-03-06 20:00:07 来源: 吉安信息港

“高超音速”是个专业术语,指超过5倍音速的速度。5倍音速又被称为5马赫,相当于海平面每小时6200公里或高海拔每小时5300公里的速度(在高海拔位置,气温低、空气稀薄,声音传播速度也很慢)。

与洲际导弹不同,这种高超音速飞行器完全不是基于火箭技术。火箭自身需要携带包括氧气在内的燃料,以便在真空空间燃烧燃料。由于燃料很重,所以火箭只能进行短时间的垂直飞行,以进入外层空间。因此,工程师们正在构想一种飞行器,它必须重量轻,能以空气为氧化剂,不需携带额外氧化剂,

高超音速飞行器呼之欲出

并且飞行方式和普通喷气飞机一样,速度可以和火箭匹敌——这就是构想中的高超音速飞行器。

飞行器在大气层以高超音速飞行,会带来诸多好处。首先,它不受现存弹道导弹条约的限制;其次,可以躲避拦截,如果目标移动,它也能随之改变轨道;第三,利用高超音速飞行器,人们飞入大气层高端位置的成本也随之下降,这项技术有助于降低军用或民用设备进入外太空的成本。

虽然有着种种好处,这种飞行器发动机的构造却与现有客机和战斗机使用的涡扇或涡轮喷气发动机非常不同。现有飞机的速度很少能超过2马赫(2倍音速),如果超过这个速度,喷气发动机的旋转叶片就不能将进气口的空气速度减慢至亚音速,这将使喷气发动机无法正常燃烧燃料。如果要进一步提升飞行器的速度,工程师只能设计一种没有运动部件的喷气发动机,于是,一种被称为冲压喷气发动机的新型发动机被设计了出来。冲压喷气发动机的进气口采用精心设计的形状,能将空气流在进气口处进行压缩,从而减缓空气流进入喷气发动机的速度。值得注意的是,法国的新型ASMPA 核导弹使用的就是冲压喷气发动机,法制飓风或幻影战斗机均能发射这种导弹。ASMPA 核导弹能以3马赫(每小时3700公里)的速度飞行500公里。

技术难度远超火箭 要将飞行器在大气层里的飞行速度提高至5马赫或更高,意味着冲压发动机必须利用超音速空气流来燃烧燃料。这种喷气发动机被称为超音速燃烧冲压喷气发动机。虽然超音速冲压喷气发动机进气口的特殊形状,能减缓吸入的空气流的速度,但无法将空气流的速度下降至亚音速。这种情况使工程师不得不面对一个大难题:让冲压发动机吸入超音速空气流,并且在超音速空气流里点燃燃料。拉塞尔·卡明斯是加州州立理工大学的超音速推进专家,他对此的描述为:“这种情况如同在在飓风里点燃一根火柴并保持其燃烧。”

一个解决办法就是采取特殊的燃料喷嘴,使其能以特定的角度将燃料注入超音速空气流中。燃料导致空气流中产生微小震荡波,这种微小震荡波能将氧气和燃料充分混合;随后氧气-燃料混合物进入冲压喷气发动机燃烧室,燃烧室内更大的空气震荡波会将这种混合物点燃。此外,澳大利亚国防学院也发明了另一种冲压喷气发动机的点火方法:他们使用持续时间为几纳秒的激光脉冲来剥离燃料混合物的电子,从而在冲压喷气发动机燃烧室内产生大量的热等离子,燃料混合物被热等离子点燃。这种点火方式与汽油发动机的火花塞放电类似。

按照工程师克林顿·格鲁斯的说法,超音速冲压喷气发动机的燃料必须与燃烧室的壁面保持一定距离,否则燃料会在形成合适的氧气-燃料混合物之前被提前点燃,产生的爆炸能将飞行器炸掉。格鲁斯是多伦多大学的工程师,现在在英国剑桥大学做研究工作(他同时还担任普惠发动机公司和劳斯莱斯发动机公司的顾问)。超音速冲压喷气发动机还有更加棘手的问题——如果以过快速度飞行,其机体内部的温度和空气压力很难用机械手段进行调节。因此,当超音速冲压喷气冲压发动机加速时,飞行器必须飞到大气层的更高处,那里的空气比较稀薄,在保持飞行速度的同时,能减少燃料的大量消耗和冲压发动机燃烧室爆炸的几率,从而降低冲压喷气发动机机体的温度和压力过快上升。

也就是说,将超音速冲压喷气发动机点燃是一件十分困难的事情,而要使超音速冲压喷气发动机保持燃烧并且不发生爆炸也是一件困难的事情。此外,超音速冲压喷气发动机和普通冲压喷气发动机一样,自身不能起飞——冲压喷气发动机的启动必须以极高的速度来压缩空气,以便进行燃烧,这就要求使用冲压喷气发动机的飞行器必须另外配置涡轮或涡扇喷气发动机,或用火箭来进行初始阶段的加速飞行,然后才能启动超音速冲压喷气发动机。简而言之,工程师必须克服诸多困难,才能将配备超音速冲压喷气发动机的飞行器制造出来。因此,虽然高超音速飞行器的概念早在20世纪50年代就被提出,但直到20世纪90年代,这种飞行器才进行了飞行测试。那次的飞行测试是由俄罗斯研究人员与法国和美国科学家共同进行的,但有些专家怀疑那次测试是否真正达到了超音速燃烧的目的。

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