中国已经7次成功试验了高超音速的DF-ZF(也称WU-14),这还是助推-滑翔的

还成功地进行了超燃冲压的试验,这是第一张官方公布的照片
中国在高超音速方面卓有成就,传说中的DF-ZF(也称WU-14)高超音速飞行体已经试验了7次,全部成功。这是助推-滑翔体,还不是动力飞行体。中国对助推-滑翔体已经玩得很纯熟了,A300火箭弹采用拉起弹道,射程增加到300公里以上(在出口市场上限制到280公里,以遵守导弹技术公约要求),这也是助推-滑翔技术的应用。但助推-滑翔更适合一次性使用,或者XS-1这样的“伪可重复使用”,真正可重复使用的高超音速飞行体应该像普通飞机一样水平滑跑起飞和降落,并在极高空达到高超音速。这对动力提出了全新的要求。
传统的涡轮类(包括涡喷和涡扇)喷气发动机在M3左右达到速度极限,常规冲压式喷气发动机在M5左右也达到速度极限了。这是因为涡轮类和冲压都是基于亚音速燃烧,进气必须减速到亚音速,然后再通过收敛-扩散喷管达到超音速。这样的减速-加速过程造成本质阻力,到一定的时候,阻力增加比推力增加更快,速度就达到极限了。火箭发动机当然是可以达到高超音速飞行的,但需要自带氧化剂,重量较大,危险性也较大,发生泄漏就可能造成爆炸。吸气(包括涡轮类和冲压)发动机从空气中吸取氧气,效率要高得多,也较安全。但冲压发动机要用于高超音速,必须基于超音速燃烧。这个超燃可是不容易。
空气中的压力波以音速传递。常规燃烧的火焰扩散在亚音速进行,所以热空气的膨胀扩散快于火焰扩散。超音速燃烧的火焰扩散速度超过空气膨胀速度,空气急剧升温增压但来不及膨胀,积聚的巨大能量最终释放出来的时候,强大的压力形成破坏性的激波,这就是爆炸。激波的理论密度为无穷大,激波扫过来就像钢板打脸一样,而且是超音速的速度,这就是爆炸威力远远大于燃烧的道理。超燃冲压可算是可控的连续爆炸,其燃烧控制的难度可想而知,总算达到稳定燃烧了也只有很窄的工作范围。
多少年来,超燃冲压就像海市蜃楼,似乎触手可及,但又总是飘然而去。仅有的成功试验早先只有秒级的工作时间,现在延长到分钟级,还都是在屡败屡战之后。但2015年国防科大王振国教授获得冯如航空科技精英奖,他是超燃冲压专家,颁奖仪式上却对他的成果只字不提,倒是符合中国对于军工科研守口如瓶的传统。

厦门会议可算是“于无声处听惊雷”的典范
但于3月6日由美国航空航天学会(简称AIAA)、中国工程院主办、厦门大学承办召开的21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会上,中国大大方方地揭示了大量成功的试验和实物图片,并透露了中国已经成功地进行了超燃冲压的飞行试验。更加惊人的是,中国研制的涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(简称TRRE)将在2017年底前开始飞行试验,如果成功,这是世界第一。其他国家(包括美国)慢说组合循环,连具有实用意义的可持续超燃冲压都没有做到。中国尽管没有透露超燃冲压可持续工作的时间,但要是达不到至少亚小时级,研发组合循环发动机是没有意义的。这一阶段的试验将持续到2020年,在2025-30年进行水平滑跑起飞-着陆的飞行试验,如果成功,更是里程碑级的成就。
中国的TRRE采用上下并列的基本布置,共用可调进气口,然后进气道分叉,上半通向涡轮发动机,下半通向火箭-冲压发动机,两者的喷口在扩散段再度汇合。这种上下并排的布置巧妙地利用了涡轮发动机需要弯曲、扩张的进气道和超燃冲压需要短直进气道的问题,尾后合并的喷口也巧妙地利用了涡轮发动机需要收敛-扩张喷口和超燃冲压只需要扩张喷口的特点。可调的进气口控制激波系的形状和位置,确保进气道工作条件与发动机工作模式最优匹配。


中国展示了TRRE的工作原理图

从M2以下的涡轮状态过渡到M3-6的火箭冲压,最后在M6转入超燃冲压
上涵道里的涡轮发动机在静止到M2之间工作,下涵道里的火箭冲压在需要加速时启动,这时可以等效为加力燃烧室。火箭冲压也称吸气火箭、引射冲压,用贫氧富油的高温火箭燃气对冲压进气引射增压,并与进气混合燃烧,大大提高冲压的效率、推力和工作速度。在M2时,上涵道关闭,下涵道进入亚燃冲压模式,然后在M3-6之间转入火箭冲压模式。在M6时转入超燃冲压和火箭冲压组合模式。发动机以性质稳定、价格低廉的航空煤油为燃料。
中国在过去两年里进行了大量试验,验证了加速、巡航、机动等各方面性能,验证了上下涵道的协调工作和可靠平顺的模式转换,有效地解决了低速时的大推力要求和M6时的高比冲要求之间的矛盾。试验证明了下涵道里的液体火箭和双模冲压在M1.5-7之间协调工作的可行性。2016年,进气道和喷管试验完成,M1.8条件下的台架试验也完成。M2-6的稳态台架试验已经开始。试验验证了TRRE的进气道、喷管和燃烧室设计和模式转换。试验数据表明,可在1平方米捕获面积下达到8吨推力,达到设计要求。应该注意的是,8吨推力看起来不多,但超燃冲压最大的挑战是降低阻力,其次才是提高推力,8吨不少了。
组合循环发动机不同于变循环发动机,前者是涡轮类喷气发动机、亚燃与超燃冲压发动机和火箭发动机的组合,后者为涡喷与涡扇之间的无缝切换。前者用于高超音速与空天飞行,后者用于常规的大气层内飞行,比如M2一级的超巡战斗机或者超音速客机。美国空军为第六代(在中国称为第五代)战斗机研发的AETD发动机就是变循环发动机。
厦门会议还揭示了其他来自中国的大量重大成果,尤其是大量成果都有实物试验验证,这意味着技术水平接近或者已经达到实用程度,而不是纯理论或者纯数字仿真的空谈。比如说,国防科大已经成功测试了660毫米直径的连续旋转爆轰发动机,这是脉冲爆轰发动机的进一步发展,同样利用超燃时压力波“自我闭锁”的机理,使得燃烧的温度和压力极大升高,而且产生连续推力,可能突破涡喷、涡扇的速度和热效率局限,成为下一代喷气发动机的基本技术。北航展示了紧凑型高效换热器技术,可以将进气温度迅速降低,不仅提高进气密度和进气道效率,还对热端部件的起冷却作用,可用于减轻防热设计带来的重量,或者进一步提高热工参数,试验已经取得“令人满意”的成功。
