美國高超音速武器 【飛羽社】衝擊高超音速，超燃衝壓發動機也能用固體燃料？

關注我們收看飛魚社的更多精彩視頻 大家好這裏是飛魚社 在高超音速導彈系列的上一期視頻中 我們介紹了美軍的西汽式高超導彈HACM項目 同時也簡單介紹了液體燃料超音速發動機運行時的問題 簡單來說液體超音速發動機對於啓動時來流速度要求很高 低速的來流沒有足夠的動能衝破高溫產生的上游行波 爲持續燃燒穩定提供氧氣 採用這種動力的飛行器必須要有一個非常大的助推器或者載具 先助推衝壓飛行器達到滿足工作條件的速度和高度 才能使其順利運行 這樣的推進器或載具其尺寸重量甚至會遠超超然衝壓飛行器本身 這就極大的抵消了超然衝壓發動機高比衝帶來的小體型優勢 但有一種技術手段能讓超然衝壓發動機不再陷入啓動速度苛刻的困境 那就是採用固體燃料 採用了固體燃料的超然衝壓發動機點火速度可以低至1.6馬赫 且一點火就可以全推力運行 不同於液體燃料超衝固體超衝降低最低點火速度擴大工作區間的方法 並非是要解決熱擁塞帶來的喘症 而是直接在固體燃料的粘合劑中摻混高氯酸氨顆粒等氧化劑 由自帶的氧化劑支持低馬赫數下的燃燒 等速度達到高馬赫後再由來流中的氧氣作爲氧化劑支持燃燒 而液體超衝由於增加氧化劑注入系統帶來的重量與系統複雜度提升 很難實現類似功能 採用固體超衝發動機的導彈只需要配套一個佔總彈體重量約1⁴的助推器 而一般的碳氫燃料液體衝壓發動機則至少需要一個佔彈體重量3⁵的助推器 在比重上固體燃料超衝也沒有與液體燃料相差很遠 至少比起火箭發動機固體液體燃料間的差距而言要小很多 以目前較爲主流的內孔燃燒式固體超衝發動機爲例 其最大比重能達到1萬米每秒 而碳氫燃料的超衝發動機最大比重也僅在12000米每秒左右 在燃料儲存上固體燃料比液體燃料更方便維護檢查週期更長 它並不像液體燃料導彈一樣害怕跌落磕碰造成的泄漏事故 在轉場運輸過程中 也無需將燃料和彈體分開運輸 在做軍事用途時能做到快速反應 在成本方面固體超焰衝發動機採用的燃料一般爲PMMA或者HTPB加AP 爲了助燃通常還會添加金屬粉末 兩種燃料的採購價格分別在萬元每噸和10萬元每噸的數量級上 而航空煤油約爲6000每噸 儘管產生同等充量所需的固體燃料比起液體燃料價格更高 但固體超焰衝發動機的結構建更加簡單易做 不僅省去了主觀加註系統 由於自帶固體氧化劑的輔助 其進氣道也無需像液體超衝一樣通過複雜的設計來最大化進氣效率 固體燃料易於存儲的特點更是省去了大量運輸成本 所以固體超衝發動機的最終綜合成本在理論上其實比同樣推力的液體超衝更爲低廉 這麼看固體超衝似乎比液體超衝要優秀的多 但實際上這種發動機暫時並未得到各國科研機構的看好 也並沒有取得什麼太大的發展 正如我們在本系列上期視頻所言 其正面臨着近乎無法克服的難題 目前的固體燃料長安衝壓發動機主要有三種構型 內孔燃燒式 火箭燃氣式和粉末式 其中內孔燃燒式是當下較爲主流的固體燃料衝壓發動機構型 在液體衝壓發動機中 來流通過進氣道進入燃燒室後會和噴入的燃料摻混燃燒 燃料量與燃燒狀態的控制較爲方便 但在內孔燃燒式固衝中 固體燃料則被直接澆築在了燃燒室內壁上 使燃料成爲燃燒室的一部分 來流通過進氣道後進入燃燒室 直接和內壁的固體燃料反應 在當下 內孔燃燒式固體燃料亞燃衝壓發動機已經大規模投入了使用 例如我國的英基12 英國的流星空對空導彈使用的都是這種發動機 而內孔燃燒式固體超燃衝壓在原理上也與其相似 兩者都通過來流在進氣道坡面上的衝壓效應完成來流壓縮 在進入燃燒室內爲燃料的燃燒提供氧化劑 但不同的是 超衝的進氣道設計能使來流以超音速進入燃燒室 而亞衝的來流在經過壓縮減速後則會以亞音速進入燃燒室 那麼這種構型的超衝當前面臨的技術難題是什麼呢 答案是固體燃料退移 固體燃料退移說白了就是澆築在燃燒室內壁上的固體燃料 在燃燒時被消耗 從而導致表面不斷後退 而具體的退移速度又和來流條件有很大關係 隨着發動機工作 燃燒條件發生變化 退移速度也會受到影響 燃料退移是內孔燃燒室固體燃料衝壓動力飛行器都要面對的問題 首先 固體燃料的燃燒通常非常猛烈 且燃燒速度無法調控 這也就使得內孔式固體衝壓的工作時間往往都很短 其次 由於內孔式固衝發動機的燃燒室由藥柱直接構成 所以固體燃料的退移還會導致燃燒室槍體的變形 使得燃燒室施壓不穩定 對於固體亞燃衝壓來說 這個問題並不嚴峻 因爲亞燃衝壓導彈通常情況下並不會要求太高的射程 燃燒室槍體容積和燃料量都較小 亞燃衝壓也沒有超燃衝壓那麼高的來流速度 燃燒室內流場相對簡單 但是對於需要長時間運行的固體超燃衝壓 這個問題就顯得嚴峻了起來 例如一個採用了htpb加ap作爲燃料的超燃衝壓燃燒室中 在25千米高6馬赫的來流條件下 其退移速度可以達到0.75到2毫米每秒 這意味着彈徑爲480毫米的導彈 其藥柱只能維持100到200秒的燃燒時間 而超燃衝壓動力的導彈或者飛行器若想要以馬和6飛行1000公里 則需要發動機持續工作最少400秒 想要實現這個目標 至少需要將導彈直徑增加到1000毫米以上 以容納更多燃料 但如此一來 恐怕就會遇到平臺適配問題 畢竟沒有多少載具適合搭載這種又短又粗的彈體 這也就與利用衝壓發動機高比衝特點開發通用戰術導彈的初衷背道而馳了 而藥柱退移導致燃燒室發生槍體體積擴大變形 進而造成燃燒室施壓降低的問題 在超衝上也會被放大 比起亞人衝壓發動機 超人衝壓燃燒室內工況更爲惡劣 其內部燃氣擴散不規律 各方向的氣流速度不一致 再加上激波造成的影響 就會使得各個位置的燃料退移速度不一樣 表現出無規律退移 在燃料無規律退移的影響下 燃燒室內槍體結構會發生重大改變 並進一步導致施壓不穩定 影響到燃燒的正常運行 這會使得推力產生極大的下降 甚至破壞超人衝壓所需的點火條件 導致熄火 這種推力下降的降幅非常誇張 在燃料退移造成施壓不穩後 可能只會剩下最大推力的四分之一到三分之一 對於這種情況 雖然也有通過固液混合燃料彌補後半段時推力下跌的設計 但在經過實驗驗證後 固液混合模態反而會造成固體燃料的退移速度進一步增加 再次壓縮其工作時間 事實上 就目前而言 採用內孔燃燒式的固體超人衝壓發動機還沒有一家實驗室能跑出持續運行超過30秒的成績 即便是在這個成績上翻三倍 對於超人衝壓導彈而言仍然顯得不足 在這種情況下 如果仍想走固體超人衝壓的技術路線 就必須開發新的構型 例如西工大就提出了一種火箭燃氣式固體燃料超人衝壓發動機 和內孔燃燒式不同 火箭燃氣式固體超衝將燃料都收納到了燃燒室前的一個燃氣盒裏 發動機工作時會先在燃氣盒內進行燃燒當量比大於1的負有燃燒 用不完全燃燒產生的推力將燃氣推入燃燒室 並與空氣摻混進行二次燃燒 再經過大膨脹比噴管噴出產生推力 相較於內孔燃燒式而言 火箭燃氣式固體超衝的結構和液體超人衝壓更加類似 它擁有一個固定的燃燒室 並且在其中不預先鋪設任何的固體燃料 這樣的設計使得燃燒室施壓恆定 推力穩定 解決了內孔燃燒式的缺陷 但是這種優化設計也有自己的缺點 由於固體燃料需要在燃氣盒中預先燃燒 然後才能進入燃燒室與空氣進行摻混 這就意味着火箭燃氣式固體超衝中使用的燃料需要包含比內孔燃燒式燃料更多的氧化劑 這就拉低了發動機的整體比衝 理論上內孔燃燒式的最大比衝可以達到1萬米每秒 而實際測試中也有過接近7000米每秒的記錄 但是火箭燃氣式超衝在目前的實驗中最大比衝也只有5000多米每秒 目前火箭燃氣式固體超衝的研發實際上還處於非常起步的階段 除我國西工大以外 還沒有任何一個國家或是機構有進行火箭燃氣式固體超衝基礎研究的跡象 甚至連原理探討的相關論文發佈都沒有 即便在國內 火箭燃氣式的研究也僅僅是一個起步 作爲一個2017年才被提出的新構型 西工大也僅僅是用仿真模擬軟件進行了原理驗證 並在地面直連臺上開展了原理樣機實驗 尚沒有開發出工程樣機 技術成熟度等級大約在2-3級間 而液體超燃衝壓發動機目前的成熟度則已經達到了8-9 隨時可能投入使用 同時 西工大的原理樣機實驗結果和仿真模擬還表明 火箭燃氣式固體超衝目前的比重數據並不理想且穩定性差 甚至連數據不達標的具體原因都無法確認 在這種情況下 我們不難看出這種技術在短期內其實很難實用化 就更別提被作爲現役裝備的動力了 講到這裏 固體超衝的三種主要構型還剩下一個粉末式 這是一種以高能金屬或棚等粉末爲燃料 以衝壓空氣爲氧化劑和工制的一類新型衝壓發動機 粉末式固體超沖和我們上文提到的兩種構型相比有着非常大的區別 這種發動機的燃料形態並非是一整塊的藥柱 而是常溫微小固體顆粒 而其結構就更貼近於液體超衝了 只不過注入燃燒式的燃料從液體改爲了固體粉末 相比於採用傳統固體燃料的超燃衝壓 粉末燃料因爲捨棄了粘合劑 使得比沖和密度比衝都有了非常大的提升 根據相關論文 當採用煤粉爲主要燃料時 即便是在火星這種缺乏氧化劑的環境裏 粉末超燃衝壓發動機仍可以在3-5馬赫環境下維持9500-12000米每秒的比衝 這已經超過了內孔燃燒式固體超衝的理論極值 而且金屬粉末還沒有內孔燃燒式的藥柱體積過大問題 一個小盒就可以裝下幾十公斤乃至幾百公斤的燃料 再者粉末燃料也不會有老化問題 在注存和保養上都會變得更加方便 更不會一觸即着沒有造成重大安全事故的風險 另外粉末燃料在推力調節上也更加方便 因爲是採用閥門控制的方式釋放粉末 因此粉末燃料可以很方便的通過粉末釋放量來調整推力 根據不同飛行姿態的推力需求來靈活變化 這是火箭燃氣式都很難實現的效果 對於內孔燃燒式而言則更是天方夜譚 在這個基礎之上 粉末燃料還可以結合傳統固體燃料作爲一種推力補充劑來使用 不可謂不靈活 但想必各位觀衆都能猜到介紹了這麼多優點 不出意外的話就該出意外了 這玩意兒它目前同樣也是做不出來 畢竟在技術領域就不可能存在性能又好研發又簡單的東西 儘管粉末式發動機的研發歷史很長 但研發這種發動機所面臨的核心問題至今仍未得到解決 例如粉末式發動機爲了保證燃料供給的穩定 需要將燃料粉末先在燃料箱中流態化 再以氣鼓兩項流的形式輸送入燃燒室 但就目前而言 我國還沒有掌握振動過載等工況下保證粉末流態化和氣鼓兩項流穩定性的技術 這也是粉末式發動機的核心技術 沒有這些就意味着粉末式發動機在實際工況下的可靠性得不到保障 同時還有燃料粉末注入燃燒室後的離散不易控制 不清楚使用什麼火焰穩定手段才能使粉塵燃燒持續可控且高效 無法解決氣鼓兩項流形式燃料粉末點火可靠性低等等一系列問題 期待解決 聊到這裏 結論就很明顯了 當前的三種主要固體超充發動機構型都面臨着各種技術難關 在可見的未來很難投入使用 因此我們只能說固體燃料超充是一種前景可觀 但需要長期投入的新技術 也許在未來的某一時刻 可能是10年或20年 採用這種動力的新型高超音速導彈就會問世 當然 科技進步的路程也並非一帆風順 或許固體超充的研發路途會比我們想象的更爲坎坷 但這正是科學技術魅力之所在 我們也希望看到今天這條視頻的觀衆朋友永遠保持探索進取的精神 學習之餘 也別忘了休息 長時間服辦工作 加上低頭看手機 頸椎難免緊繃痠痛 這是由於斜方肌肌肉纖維反覆收縮 充血水腫 沒有及時舒緩所導致 時間長了 不僅身體難受 虎背熊腰也會近顯老態 最近用這款像素頸椎按摩儀 放鬆肩頸就很得勁 按摩頭是四頭八字排布 搭配L型的增高按摩頭 仿人手關節按壓倒斜方肌 深度推柔僵硬的肌肉 材質是柔軟的記憶棉 布套可拆下清洗 方便衛生 磁吸扣和魔術貼雙重固定 可以調節鬆緊 兩檔模式可選 同時自帶語音播報 操作簡便 還有42度加熱功能 有效緩解酸脹感 久坐辦公和低頭刷手機 用它來放鬆肩頸可太爽了 除了按脖子 也可以按腰和大小腿等其他部位 全家都能用 省下不少按摩錢 兩個配色可選 精美的禮盒設計用來送人也很合適 支持七天無理由和一年質保 除了自用 給父母安排一臺也很貼心 最近趕上618 有需要的朋友可以到評論區領取大額優惠券