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X型超燃冲压进气道显杀气 中国临近空间高超音速导弹
送交者: shing[♂大司徒★★★★☆♂] 于 2018-05-22 20:23 已读 8380 次 11 赞  
  
X型超燃冲压进气道显杀气     中国临近空间高超音速导弹
    在今年军民融合展会上面,国产凌云临近空间高超声速通用试飞平台公开亮相,它是我国首次实物展出的高超音速飞行器。从弹头进气道可以看出它采用了超燃冲压发动机

临近空间 ”是指距地面20~100公里的空域,90公里以下为均质大气。临近空间飞行器主要包括:高超声速巡航飞行器和 亚轨道飞行器,它们的飞行空域高度不同。临近空间飞行器具有飞行速度快、航距远、机动能力高、生存能力强、可适载荷种类多等特点
 
虽然此次展出的是“通用试飞平台”,但下图显示:我国在2011612日就进行第一次高超音速飞行器试验,并获得成功。从奖章上的图案可以看出,当时试验平台是“轴对称的径向布局”,采用环形进气道,后面带有固体助推火箭。

 下图是美国的X-51A 高超音速试验飞行器,它采用左右对称布局。2010年5月首飞达到4.88M.;2011年3月和2012年8月两次试验均告失败;2013年5月1日由B-52轰炸机挂载,空中投放后固体火箭助推,达到3M.之后启动超燃冲压发动机,但是在达到5M.之后,冲压发动机仅维持300秒就熄火,滑翔500秒之后坠入大海。由于连连失败,国会拒绝继续为X-51A拨款。


高超音速”是指飞行速度达到5—10M.;10M.以上的称作“超高音速”。要达到高超音速,除了固体火箭,就只能采用“超燃冲压发动机”。下图是几种吸气式发动机的结构对比示意图:

(a)涡喷发动机,它有高低压气机,所以可以在0速度的状态下启动;

(b)亚燃冲压发动机,“冲压发动机”没有高低压压气机,当飞行器由固体火箭助推器加速达到超音速时,进气道起到压气机的作用,启动亚燃冲压发动机。由于燃烧室内的气流是在亚音速,所以是亚燃冲压发动机,它的飞行速度不会超过5M.;

(c)当飞行速度超过3M.,燃烧室的气流达到超音速,所以称作超燃冲压发动机。此时发动机要稳定工作,难度比在12级台风中燃烧一根火柴还难。前面提到的美国X-51A屡试屡败,就是因为超燃冲压发动机无法持续稳定地正常工作。

下图是超燃冲压发动机的结构与工作示意图,它分三个区,气流压缩区、燃烧区、燃气膨胀区。拼图(下)是轴对称径向布局双模块发动机的进气系统示意图:气流先经过亚燃模块进气道进入亚燃室,加速到3M.之后,气流进入燃超室开启超燃冲压模式,将飞行器加速到5—9M.
从临近空间高超声速通用试飞平台公开亮相推断,中国的高超音速空对地巡航导弹已经定型。中国之所以后来居上,首先得益于我们有多型高马赫数的风洞。例如下图(右下)GJF超声速管风洞1990年启动,可进行3.5—6M.气体动力学研究;1992年启动的JFK-8高超声速激波风洞(6.5—15M.);1992年启动的JFK-10爆轰驱动高焾激波风洞(达20M.)。


航天三院的超燃冲压发动机演示验证飞行器,于2011年6月首飞成功,其进气道和超燃冲压发动机就是类似X-51A的左右对称布局。

2008年启动、2011年6月验收定型的JF-12爆轰激波风洞,技术水平达到世界领先水平。喷管直径达2.5米,实验时间100ms,可对飞行速度5—9M.的飞行器进行气流动力学研究。




有先进的风洞才能研制出适合的进气道,这是超燃冲压发动机稳定工作的前提。下面三幅拼图是2011年春节,在中国空气动力学春节学术座谈会的报告幻灯。

可以看到我们的超燃冲压发动机的进气道是经过气动优化的“流线追踪进气道”、三面压缩空气,进气道的唇口形状与X-51A不同

进气道----燃烧室----尾喷管也是经过一体化优化,使得进入超音速燃烧室的流场是稳定的。此时的飞行马赫数M=6,进气道马赫数 M=3.12,高总压恢复系数为73 %
   除了进气道,燃烧室的设计也是关键技术,下图是用于试验的新型集成超燃冲压发动机,采用燃料再生主动冷却的燃烧室技术,燃烧室与冷却系统约80秒达到热平衡。科技日报有篇文章提到,超燃冲压发动机主动/被动热防护机理。。。。成功支撑了空军某型导弹的研制。



中国的高超音速飞行器技术突飞猛进,不得不提到国防科技大学的王振国教授,他是我国高超音速推进技术领域的顶级专家。1999—2012年多次获国家科技进步二等奖、军队科技进步一等奖。



(1)他带领团队从超声速燃烧机理研究开始,历经近二十年探索,突破全部关键技术,研制成功世界首台航空煤油再生冷却超燃冲压发动机,并通过长程热试车考核,技术性能可与美国比肩(美国X-51A发动机采用特殊吸热型碳氢燃料)。该型发动机研制成功,标志着我国具备了独立自主研发超燃冲压发动机的能力。




(2)他带领团队突破大流量空气加热器和大型主动引射系统等两个世界性技术难题,研制成功国内首座大型连续式高超声速推进风洞,建设了系列化高超声速推进风洞,使我国超燃冲压发动机试验能力达到国际先进水平

(3)研制成功××高超声速飞行器,圆满完成自主飞行试验,达到世界先进水平。美国近年实施了10次自主飞行试验,其中6次失败,其他国家还未见自主飞行试验。

我国在高超音速飞行器研究领域可谓是人才辈出,举个例子:中国航天科工三院301所总师陆红,2016年荣获“ 中国五四青年奖章”,她带领团队研制的某超燃冲压试验飞行器,2011年首飞,去年获国防科学技术进步奖特等奖,能获特等奖自然是已经定型。

该飞行器的发动机长4米、重700Kg、推力15KN(1530Kg)。美国的X-51A加上预压进气道4米,发动机实际上只有2米,重300+Kg,推力只有我们的三分之一(5KN),而且还屡射屡败。


从此次军民融合展会上展出的通用试飞平台,可以推断出采用超燃冲压发动机的、中国高超音速空射对地巡航导弹,已经达到实战化水平。其布局与美国的X-51A完全不同,既不是早期的轴对称径向布局的双模块进气道,也不是左右对称布局的超长预压进气道。




它是采用了比较独特的弹头X形布局四个进气道,显然有改善机动性能的考虑。进气道采用三面预压、弹头中间那个椎体的曲面,表明采用“ 亚燃--超燃一体化 ”设计,并与弹身融为一体,这样整体大小比较紧凑,适装性强,还可以用海军的通用发射架进行垂直发射。

下图是双发的重型多用途战斗机(如歼-16)挂载高超音速巡航导弹攻击地(海)面的示意图:战机投放导弹后固体火箭助推加速和爬升,到达数十公里的临近空间,超燃冲压发动机开始工作,加速到6M.之后进入巡航,接近目标时俯冲攻击。


假设射程为1200Km,以6M.的速度飞行时间为15分钟;如果是亚音速巡航导弹,则要飞行70分钟,而且以6M.的速度俯冲攻击,现有的防空导弹无法拦截。

我国不仅有高超音速的巡航导弹,还有临近空间的高超音速无人机,还在研制亚轨道有人和无人飞行器。下图是高超音速飞行器的试飞团队合影,根据成飞的官媒报道,该飞行器在2017年底已经完成定型试飞。























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