美国空军实施超燃冲压发动机技术发展新计划

美国空军实施超燃冲压发动机技术发展新 美国空军实施超燃冲压发动机技术发展新计划 　超燃冲压发动机具有非常好的军用和航天发射应用前景，可作为未来太空飞行器、全球到达和快速响应、远程无人驾驶和有人驾驶军用系统的动力。超燃冲压发动机的远期用途包括可大大降低太空飞行器发射成本，并可像飞机一样工作的飞行器动力。也包括可在几小时内到达全球各地的军民用飞机以及可在几分钟内能以M6.5以上的速度飞行数百海里的高超声速巡航导弹。 　　目前，美国空军正在继续发展这项技术，目标是巡航导弹或可重复使用的高超声速军用飞行器动力。最近，美国空军制定了"鲁棒的超燃冲压发动机"计划和超燃冲压发动机技术的验证计划。 　　 1、"鲁棒的超燃冲压发动机"计划 　　目前，美国空军研究实验室的科学家和工程师们正在通过"鲁棒的超燃冲压发动机"计划发展比现有地面试验验证机尺寸大10倍的超燃冲压发动机所需的技术。该计划的目标是希望发展适用性更好、转换M数更低和运行速度更快的尺寸更大的发动机。并且，空军还希望这种发动机的使用寿命更长并且油门可调性更好和可重复使用。 　　该计划从去年秋季开始，将通过6~7年的时间发展推进系统样机，该样机将有可能发展为高超声速攻击机或侦察飞行器用的发动机。大型超燃冲压发动机也将用于2级入轨发射系统第一级的动力。 　　 2、"超燃冲压发动机验证机（SED）"计划 　　 2004年初，美国空军开始实施超燃冲压发动机验证机（SED）计划。普·惠公司/波音公司"幻影"工作组联合小组获得美国空军研究实验室（AFRL）的，将对吸热燃料的超燃冲压发动机飞行验证机（EFSEFD）进行试验，将要试验的超燃冲压发动机验证机又称"乘波飞行器"（SED-WR）。预计，普·惠/波音联合工作小组将从2007年到2008年开始通过多项飞行试验，研究超燃冲压发动机吸气系统级的潜力。该飞行器在由B-52飞机携带到9.1~12.16km的高度发射后，由一个ATACMS助推器加速到M4.5的转换速度，然后，超燃冲压发动机可能以M6.5~7的速度工作数分钟，最后坠入太平洋。普·惠公司用于飞行试验的发动机将采用碳氢燃料超燃冲压发动机技术（HySET）计划发展的技术。 　　投资1.8亿美元的超燃冲压发动机验证机（SED）计划的部分经费来自国防高级研究计划局，该计划最终可能进行5到10次以二维、碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的乘波飞行器的飞行试验。预计，首次飞行试验最早在2008年秋季进行。 　　目前，美国普·惠公司正在制造为保证飞行试验顺利进行的首台地面试验用的发动机。名为SJX61-1的该发动机是早期GDE-1的改进，SJX61-1将在2005财年在美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）进行试验。 　　 SJX61-1将是一台具有飞行重量的超燃冲压发动机，该发动机将以来自机载热交换器的燃油为燃料，并用热燃气阀门将其引入发动机的燃烧室。整个过程将用一个全权数字电子发动机控制装置，该装置由燃气涡轮发动机上的产品改进而来。 　　 SJX-1还可能在M4.5~5时开始用于验证该发动机的起动过程。目前，AEDC的工厂有能调节M5到M7.1试验速度的喷嘴，现在，AFRL正与AEDC一起工作，生产可满足M5和M6试验速度要求的喷嘴。AFRL正在与AEDC和普·惠公司合作决定多大的M数最适合进行飞行试验。 　　支持SED工作的第2台地面试验发动机SJX61-2将于2006财年生产出来，并将进行减少与飞行试验有关风险的研究。该发动机还将被用于研究在SJX61-2试验项目中可能突然出现的所有问。 　　降低SED飞行试验的风险是美国空军推进专家们最大的愿望，而且，目前AFRL已经有一个强大的目的在于降低SED飞行试验风险的计划在进行中。另外，SED风险减少工作正在为"鲁棒的超燃冲压发动机"计划提供帮助，并且正在用于给工程师们将超燃冲压发动机扩展到联合循环的用途打下科学的基础。 　　 3、正在研究的技术领域 　　（1） 点火 　　最早，2维超燃冲压发动机用硅烷点火，但是这种材料在燃烧时产生一种固体物质，沉积在设备中。后来，研究人员发现可以采用乙烯，再后来又发现JP-7可以用于超燃冲压发动机的点火燃料。但是，主要用于产生高温可燃气体的燃气发生器也有可能被替代。美国空军将决定能否采用体积较大的乙烯瓶或SED起动系统用的燃气发生器。这很大程度上依靠设计人员把飞行器的航程和超燃冲压发动机的燃烧时间看得多重要。 　　（2）火焰保持器 　　研究人员在工作中进行了和并行的设计。如果SJX61-1工作的好，将保持现有的设计不变，但是，如果性能比预想的差，将用SJX61-2做替代。 　　（3）热平衡 　　在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡，使发动机携带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非常重要的。但是，在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样，热的多余燃料必然堆积在发动机的某处，这将有可能使飞行器的航程受影响。替代的是在更低的速度下飞行，以减少达到正确热平衡的热负荷。 　　（4）燃料的喷射 　　在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，出于结构上的考虑，发动机的流路可能是圆形的或椭圆形的。这将加剧燃料进入燃烧流的问题。解决这个问题的方案是采用在第一级喷射器后有第二级喷射器的串联喷射器，或者采用带冷却的挂架或支柱。但是，由于这些结构有非常高的热负荷，因此也带来了其他一些问题。目前，AFRL推进部正在与材料部和DARPA一起工作研究基于陶瓷的带燃油冷却的结构。明年年底将有可能完成这项工作。 　　（5）火焰特性描述 　研究人员已经在实验室条件下利用非干涉的基于光学的诊断技术在一台运行的超燃冲压发动机种确定了火焰的实际位置以及在核心流中发生的燃烧反应。这些设备用于飞行系统上是有可能的--甚至有可能用于燃气涡轮发动机上