揭秘“臭鼬工厂”(上)

<正>编者按不久前,美国高超声速察打一体飞机——SR-72曝光,据悉,该机采用"涡轮喷气发动机+亚燃/超燃冲压发动机(双模态超燃冲压发动机)"的组合动力,可在2.4万米高度以马赫数6的飞行速度执行战略侦察和的打击任务,能够在1小时内飞抵全球任何区域。从该机的编号不难看出,SR-72显然是大名鼎鼎的SR-71"黑鸟"的后继者,而且同样由洛克希德·马丁公司的"臭鼬工厂"设计。那么,这个"臭鼬工厂"究竟是一个怎样的机构?     

揭秘“臭鼬工厂”(下)

<正>编者按不久前,美国高超声速察打一体飞机——SR-72曝光,据悉,该机采用"涡轮喷气发动机+亚燃/超燃冲压发动机(双模态超燃冲压发动机)"的组合动力,可在2.4万米高度以马赫数6的飞行速度执行战略侦察和打击任务,能够在1小时内飞抵全球任何区域。从该机的编号不难看出,SR-72显然是大名鼎鼎的SR-71"黑鸟"的后继者,而且同样由洛克希德·马丁公司的"臭鼬工厂"设计。那么,这个"臭鼬工厂"究竟是一个怎样的机构?其为何能屡屡拿出设计超前、性能超群的产品?在它神秘面纱的背后,又隐藏着哪些秘密?     

掠过水面的“黑雨燕”：美国加快高超声速飞行器的研制计划

今年1月美国的“HyFly”高超声速巡航导弹在冲刺马赫数6的飞行试验中因发动机故障而坠落于海中,但是美国国防部预研局（DARPA）和美国空军并没有减缓高超声速飞行器研制的步伐,并宣布将一直秘密进行的“猎鹰”高超声速飞机验证机计划提升为“黑雨燕”高超声速验证机计划,目标之一就是要研制一种飞行马赫数6以上的SR-71“黑鸟”间谍飞机的后继机SR-72。     

基于亚燃的高超声速冲压发动机内流道研究

为了研究亚燃冲压发动机在高超声速条件下工作的性能,采用总体性能计算方法和流体力学仿真对基于突扩燃烧的高马赫数亚燃冲压发动机内流通道进行匹配设计研究,得到了其速度特性和调节特性。结果表明,设计出的亚燃冲压发动机在高超声速范围内性能良好,能够正常工作。在接力点处,马赫数Ma=3.5,高度H=12km,得到最大推力系数为0.649,此时比冲为13 801.2N·s/kg;在巡航点处,Ma=5.0,H=21km,发动机余气系数α=1.8时,得到推力系数为0.370,此时最大比冲为12 574.0N·s/kg。研究认为,最大飞行马赫数为5~6的高超声速冲压发动机采用亚燃是可行的。     

臭鼬工厂透露SR-71后继机计划

著名的臭鼬工厂最近披露了SR-71后继机计划，并确认己在组合循环发动机技术上取得突破，从而为全球出现首款实用的高超声速飞行器铺平了道路。     

飞行动压及迎角对双模超燃冲压动力飞行器性能的影响

作为目前高超声速飞机在马赫数4~8区间飞行速域内唯一可选动力,双模态超燃冲压发动机可以提供可观的比冲与推力。由于高超声速条件下的强耦合作用,飞机与发动机相互影响明显。考虑了对双模态冲压发动机与机体的共同作用,构建了在不同动压和马赫数飞行条件下的计算程序,给出了不同飞行包线工况下,飞行器前后体及迎角影响下的双模态冲压发动机性能分析及影响。研究发现,基于固定流道面积定几何冲压发动机及30m长的飞行器,随着飞行动压增加,飞机与发动机的净推力总体增加,且在Ma4时,净推力最大;随着飞 行迎角增加,飞机净推力在0°迎角最大,在Ma4 以上有更好的加速效果。     

侧压式进气道与飞行器机体气动一体化设计及实验

以机体 推进系统耦合、三维侧压式进气道为基本特征,设计了采用超燃冲压发动机为推进系统的高超声速一体化冷流通气实验模型,在高超声速炮风洞中完成了飞行器的整体气动测力试验。在来流马赫数Ma=8.09的条件下,分别测定了飞行器结合单模块、3模块、5模块超燃冲压发动机在-4°～6°六个攻角下模型的气动力数据,并对实验结果作了分析。     

高超声速推进技术的新进展

随着超燃冲压发动机技术的逐步发展成熟,国外高超声速推进技术的研究重点已转向涡轮基组合循环推进技术上,高马赫数（马赫数4以上）涡轮发动机正在成为国外高超声速推进领域新的研究热点,弥补了涡轮发动机马赫数2～2．5上限和亚燃冲压／超燃冲压发动机马赫数3．5～6下限之间的空白。     

高超声速推进系统走向实用的重要一步

今年,美国空军实验室计划进行4次X-51A验证机的飞行试验．这将是高超声速飞行器发展的重要一步。X-51A验证机由波音公司制造,它配备了普惠·罗克达因公司研制的采用碳氢燃料、燃油冷却的冲压／超燃冲压发动机,预期飞行速度能达到马赫数6。这种飞行器有可能成为一种远程攻击导弹的先驱。     

推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

对于采用吸气式超燃冲压发动机的高超声速飞行器,其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响,从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究,以简化的飞行器纵向模型为对象,考虑结构弹性、非定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用,建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力,基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明,考虑发动机推力的耦合影响后,飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变,气动伺服弹性稳定裕度下降可达16%,应当引起飞行控制系统设计部门的重视。     

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。      

X-51A试飞受挫原因可能是密封失效

在5月25日X-51A“驭波者”高超声速试验飞行器的首飞试验中，超燃冲压发动机与尾喷管之间的密封故障可能是导致X-51A无法达到预定马赫数的原因。从超燃冲压发动机泄露出来的高温气体对飞行器产生了侧向力，从而导致加速减慢和续航时间变短。     

2002年超燃冲压发动机研究进展

(1)在多国合作的HyShot计划研制中,2002年7月,超燃冲压发动机飞行器在武麦拉靶场成功地进行了飞行试验,昆士兰大学的研究者成功地实现了超声速燃烧。试验飞行器用一枚两级火箭助推至330km的高空,在下降过程中,当飞行器在Ma=7.6飞行时,氢燃料喷入超燃冲压发动机。 (2)由霍普金斯大学应用物理实验室领导的一个协作小组,在NASA兰利研究中心的2.44m风洞中,进行了普通液体碳氢燃料的、完全一体化的高超声速巡航导弹发动机全尺寸试验,获得了净推力。这种双燃烧室超     

双模态超燃冲压发动机研究进展

通过对各种发动机性能的对比分析,认为双模态超燃冲压发动机非常适合作为高超声速飞行器的动力推进装置,国内外的实验研究和数值模拟的结果揭示了如何实现双模态超燃冲压的模态转换。     

组合循环发动机飞机/发动机性能一体化分析

采用飞机/发动机一体化分析方法,开展了两种典型组合循环发动机方案（方案一为涡轮/亚燃冲压/双模态超燃冲压组合发动机,方案二为涡轮/引射冲压/双模态超燃冲压组合发动机）总体性能对比研究。基于给定的马赫数为65巡航的高超声速飞行器的飞行任务需求,进行了约束分析与任务分析,优选出满足约束条件下的飞行器起飞推质比和机翼载荷,得到了相应的飞行器起飞总质量和海平面起飞推力,并进行了两种方案的对比研究。结果表明:在完成相同的飞行任务下,方案一的起飞总质量与方案二相当,前者比后者减小了26%;方案一的起飞推力比方案二高出103%;基于涡轮发动机水平,方案一和方案二分别需要采用两台海平面起飞推力为129kN和119kN量级的涡轮发动机。此外,飞行器起飞总质量随巡航距离增加而显著增加,巡航距离为4000km时,两种方案的起飞总质量将达到85t左右。      

国外水平起降临近空间高速飞机动力的发展

临近空间高速飞机的飞行包线宽广,常规动力不能满足需求,必须采用组合动力。涡轮基组合循环(TBCC)发动机能实现高超声速飞行器水平起降,是临近空间高超声速飞机的最佳动力。首先从TBCC技术研发路线入手,总结出TBCC主要技术研发领域,如高速涡轮基技术、冲压/超燃冲压发动机技术、飞发一体化技术和热防护技术;其次结合TBCC典型研究计划(RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72),归纳出每个计划的关键技术及进展,并对各方案的未来发展应用进行阐述;最后对TBCC的发展趋势和技术特点进行了总结。     

超燃冲压发动机推力控制系统仿真研究

超燃冲压发动机是最具发展潜力的高超声速飞行器动力装置,具备性能优良的推力控制系统才能保证飞行器的安全自主飞行。为了实现在不同马赫数下的推力特性数值分析,根据飞行坡面建立由前体、进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管组成的发动机模型,并通过发动机进、出口的气流动量变化来推算发动机推力。同时为保证推力系统的稳定,根据经典控制算法设计了燃油内环PD控制回路和推力外环PI控制回路。闭环仿真结果表明:该推力控制系统的控制效果良好,能较好地模拟真实控制回路。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。     

SR-72高超声速飞机发展前景分析

美国《航空周刊》于2013年11月1日披露了SR-72高超声速无人侦察机项目,据介绍该机采用并联式涡轮冲压组合发动机,     

Ma4内并联TBCC发动机匹配设计与模态转换性能分析

由于发动机自身工作能力的限制,要想获得最大的发动机性能,在不同的飞行马赫数下,对应不同的发动机形式,因此为了达到宽马赫数飞行的目的,在不同工作区间采用不同发动机进行工作的组合循环发动机应运而生。涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为组合动力的一种,采用涡轮发动机与冲压发动机组合的形式,可以在未来作为远程高速飞行器和可重复使用2级入轨(TSTO)飞行器的第1级动力,有广阔的使用前景。作为宽速域内工作的 TBCC,模态转换是实现 TBCC 发动机宽马赫数工作必须解决的关键技术问题之一。针对Ma4 速域 TBCC 发动机,建立了相应的涡轮发动机与亚燃冲压发动机并联模型,通过考虑2种发动机的设计点与非设计点工作条件,对模态转换马赫数进行了选择,并基于保持固定流量这个前体条件,给出了相应的并联TBCC 模态转换控制过程。基于建模并联模型,初步确定了采用涡轮与亚燃冲压动力的 TBCC 发动机的可行性,在合适的匹配条件下,TBCC 组合动力可以满足飞行器的推力需求。