关于通用电气公司的高超音速旋转爆震冲压发动机
通用电力公司在近几年公布了一种采用旋转爆震燃烧方式的新颖冲压喷气发动机设计,这可以为开发高超音速远程导弹提供便捷途径。
典型的高超音速冲压喷气发动机需要在大于3马赫时的超音速飞行状态才能正常运行,因此一些导弹与飞行器需要火箭助推器进行提前加速。而通用电气公司的旋转爆震燃烧式冲压发动机能够以较低的马赫数运行,这可以降低飞行器的设计难度,也许连火箭助推器也能省略,并提升射程。
对于传统的涡喷/涡扇发动机,空气从进气口进入发动机并被压缩,然后与燃料混合并在燃烧室中进行爆燃燃烧,该过程可以产生使飞行器保持正常飞行的连续流动热高压空气。而旋转爆震发动机则不同,采用爆震波燃烧燃料,从而在较小的发动机尺寸和重量下产生更高的推力。旋转爆震发动机有一个较小的气缸和一个较大的气缸,中间以环形小孔间隙连接,爆震燃料混合物可以在这些环形小孔间隙中爆炸,从而产生喷射气体。它还会产生一种冲击波,以大约五倍于音速的速度在气缸周围传播,如果在正确的时间在正确的位置添加燃料,该冲击波可以用来以自我维持的旋转模式点燃更多的爆炸。
旋转爆震发动机的概念起源于1950年代,但是该技术直到2020年才逐渐趋向成熟,佛罗里达大学已经与美国空军研究实验室(AFRL)合作研制出世界上之一台能够持续产生爆轰波的原型机。相比传统的涡喷/涡扇发动机,旋转爆震发动机需要更少的燃料产生相同水平的功率/推力,持续冲击波也会维持发动机的自身压力,从而提高燃油效率,而且爆燃过程中压力会稳定下降,不会对发动机的结构造成损坏。相比传统的涡喷/涡扇发动机,旋转爆震发动机需要的运动损耗部件要少得多,结构更简单,体积更小,对于巡航导弹与无人机来说,采用旋转爆震发动机可以为燃料和其他载荷腾出更多空间。
2021年,美国军方国防高级研究计划局开启了名为Gambit的项目,旨在开发一种采用旋转爆震发动机的新型高超音速远程巡航导弹,相比美国目前正在艰难开发中的各种高超音速导弹项目,该导弹的性价比更高,可以快速大批量生产。雷神公司已经接手这个项目并展示出概念图,目前来看旋转爆震发动机只占用了很小的弹体空间,而燃料箱很大,可以大幅提升反舰攻击与对地攻击时的有效射程。
通用电气公司的旋转爆震燃烧式冲压发动机很好地兼顾了高速和低速转换的灵活性,如果能与传统的涡扇发动机二次结合,那么飞机就可以在任何合适的常规跑道上起飞和降落,并且在飞行过程中随时保持高超音速状态,可以随意飞入亚轨道,不需要任何复杂的两级式发射系统,也不需要发射塔架,而以往美国的一些高超音速飞行器项目总是采用繁琐的两级式发射模式,或者采用结构分离的两台发动机,而且绝大多数都不成功,比如:洛克希德臭鼬工厂差点把超音速无人侦察机改装成核攻击机,并由A-12或B-52背负发射(精彩内容)。关于美国51区与波音公司太空发射母机的神秘传闻(罕见重磅内容)
比如洛克西德马丁公司正在规划的SR-72高超音速飞机就十分适合采用旋转爆震燃烧式冲压发动机,该飞机可以携带执行打击、情报、监视所需的各种有效载荷,目前还不知道其动力系统的具体细节。
然而旋转爆震发动机也有其缺点。其高频爆震原理自带的剧烈震动影响肯定要波及飞行器平台,虽然并不是无法解决,但是它对于飞行器结构、可靠性、载人舒适性带来的挑战,确实是前所未有的。而传统的涡喷与涡扇发动机就没有这些负面因素。
脉冲爆震发动机在工作时,温度和压力的跨度变化都非常大,而为了形成连续推力,爆震室内一秒钟要进行至少上百次的爆炸循环。在现有的技术水平下很难研制出轻薄的耐高温材料。其实汽车发动机就会产生爆震现象,严重时还会损坏发动机金属缸体。
爆震发动机的噪声过于猛烈,这一缺陷如果不能被克服,那么它在民用领域就基本没有发展前途,无论是对于机内的乘客,还是对于航线所经地面上的人都受不了。