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震撼中国真空能发动机令美军战机后退五十年

2019-11-16 23:41:19来源:励志吧0次阅读

震动:中国真空能发动机令美军战机后退五十年

高歌现任北京航空航天大学能源动力学院动力工程及工程热物理学科一级责任教授,航空发动机气动热力国防重点实验室副主任,长期从事动力工程、工程热物理及流体力学领域的教学与科研工作,并在基础科研和多学科的应用技术领域取得了一系列国际领先水平的创新性科研成果。

北京航空航天大学教授、博导高歌

他在1984年发明的"沙丘驻涡火焰稳定器",获国家发明一等奖,钱学森同志称之为"一项长中国人志气的重要发明"。该成果广泛应用于我国多种军用航空发动机中,取得了数以亿元计的经济效益,至今仍保有先进水平。本刊记者于今年10月采访了高歌教授,了解到了他近期从事的一些前沿科研工作的最新进展,尤其是他对龙卷风的研究及其工程运用价值,让人耳目一新。

高歌教授在采访中提到,传统的航空发动机技术虽然还在不停地改进提高当中,但遭到原理和材料工艺上的限制,已经逐渐逼近了性能发展的极限。目前虽然涌现出一些新型航空发动机技术,但仍然没有走出依靠压力膨胀进程来实现热功转换的思路。

他强调,人们应当另辟蹊径,寻找其他可用的工作原理。为此,他研究了自然界龙卷风的构成与强化机制,发明了一项称为"余热增推"的技术,直接利用龙卷漩涡实现热功转换并提取能量,用以提高航空发动机的推力和工作效率,这是具有独创性的重大科研成果,是人们未曾涉足过的一片新天地。

传统航空发动机技术需要新的突破

高歌首先提到,航空发动机经历了两个大的历史阶段,第一阶段就是在1950年之前,主要是活塞发动机的使用。第二阶段在二次世界大战以后,涡轮发动机迅猛发展,一直占据着霸主地位,它有很多的变种,如涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机等,但其核心技术都是压气机-涡轮组合,即燃气轮机。

很早就有人提出,涡轮发动机过了巅峰期以后有没有后续机种。为什么会提出这个问题呢?由于人类所发明的热机到目前为止,绝大多数都是依托压力膨胀过程来实现热功转换的,活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径,一个是提高压比,另一个是提高涡轮前温度,这是它的工作原理决定的。

但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的,假想压比到达40左右,压气机的转速会很大;同时压比提高,叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说,涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。

当然,所有发动机在其发展的历程中,性能都有从低到高的发展过程。但如果原理上不出现重大变化的话,就不会有本质的改变。如涡轮发动机压气机本身的效力,四十年前是81%~82%,而今天,最好的压气机的效力是86%~87%。可以看出,大约每十年只提高1%多一点。人们不得不斟酌未来航空发动机的出路问题。

脉冲爆震发动机和旋转冲压发动机

航空涡轮发动机目前出现了很多新的机种,如脉冲爆震发动机、冲压发动机等,这是主要的几个研究方向,也是试图找到大幅提高航空发动机性能的技术尝试。但这些发动机还处于摸索阶段,高歌1一对其技术难点和缺点进行了分析。

高歌提到,脉冲爆震发动机噪声巨大,工作频率跟不上去。工作频率就是指爆震燃烧频率,要100赫兹左右才能够产生足够的比冲,如果到不了这个频率,比冲不够,与涡轮机相比就没有竞争力。设想在一个空腔里面,排气、进气一秒钟来回一百屡次,而且还没有一个活塞把气体推出去,只靠自己的膨胀过程来填充、爆炸,再填充、再爆炸,这本身是非常困难的。

冲压发动机不能解决零速启动、低速情况下的低效率等问题。高歌向记者介绍到,最近国内外都在进行旋转冲压发动机的研究,旋转冲压发动机就是想克服直流式冲压发动机不能零速起飞的缺点。旋转冲压发动机内部有一个转子,启动时首先用电力驱动,或是由其它起动机让转子高速旋转,气流进入转子后再发生冲波,产生高压,利用转子本身的旋转制造一个超声速或跨声速的入流,在旋转场里提高马赫数,最后到达冲压的效果。美国一台一百千瓦级的旋转冲压发动机已经试运转成功了。

但旋转冲压发动机运用到航空发动机上有很大的难度,首先要解决发动机直径问题,飞机不可能安装直径太大的发动机。另外,转子旋转以后燃烧系统如何配置,高超声速气流进来如何变成没有旋转,研制出来以后能不能在效率、尺寸、推许比等方面和现有的涡轮发动机竞争,这都有待未来发展才能得出定论。

本来冲压发动机就是一个空筒子,现在有一个转子在发动机里面旋转,解决了低速启动的问题,但飞到高速以后,气流冲进来遇到了转子这样一个大障碍物,如何解决,还面临一系列的问题。高歌认为旋转冲压发动机的前途将取决于一系列关键技术能否得到妥善解决。

脉冲爆震发动机、冲压发动机等这些新技术,依然没有摆脱传统的热机工作原理,只是改进而已,真正的突破还要在其他方向上寻找。

龙卷风原理在航空发动机上的应用

高歌谈到,航空发动机最近显示了一些很有前途的研究方向,就是有没有可能不利用压力膨胀进程来实现热功转换,而以往所有热机都是压力膨胀实现热功转换的。他把研究方向瞄向了自然界的龙卷风。龙卷风不是利用压力进程而是利用漩涡,依靠龙卷风式的特殊旋涡的旋转把热能变成机械能。高歌带领的研究人员已在这方面做了大量试验和运用研究。

高歌指出,龙卷风的旋转能量来源对于研究大气流体力学的人来讲,他们肯定可以明白无误地说,这是龙卷风外围的热气流的热能提供的旋转能量,但有一些教条的人会说,"热力学上没有这1说法,热能变成机械能必须要有压力膨胀进程!"实际上龙卷风在旋转过程中遵守着流体力学的一个定理,称为克罗科(Crocco)定理。这个定理通俗地讲,就是在一个漩涡的外围,如果外边热里边冷,就产生了一个沿半径方向内指的焓梯度,或是温度梯度,这个焓梯度越大,旋风的旋转强度就越大。如果在龙卷风外围有热量加入的话,龙卷风就会得以强化。

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