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2010年前中美发动机差距逐步扩大,差距最大时有30~40年以上的差距,不过要注意,30年的差距不代表要用30年去追赶,或许某项技术突破了,就能赶上别人十几年的差距,2022年的今天差距已经缩小到半代了2030年左右必定实现超车。航发水平高低,实际在于大型等温模锻机的能力,2012年以前,我国没有大型的等温模锻机,所以航发的涡轮盘,燃烧室,高温叶片都不太不行,燃料就不敢高温燃烧,推力就上不去。2017年开始,我们有了世界上吨位最大等温模锻机,那以后我们发动机的燃烧温度就可以最高,那十年后推力,推重比,性能都将是最好。
首先,这一发动机不是已知的我国以往研制的任何一台发动机。因为新原理这三个字不是随便讲的。无论是我国在研的WS15发动机和变循环发动机,都不能称之为新原理。
因为他们都是在已有的技术原理上研发的,只不过性能指标比较高而已。即使是变循环也不能称之为新原理,因为之前世界上很早就有变循环发动机了。
美国上个世纪研制的SR71高速侦察机用的J58发动机就是一种变循环发动机,只不过跟近些年常提到的变循环发动机的工作模式有些不同而已。
近些年常说的变循环发动机指的是未来第六代战斗机的配套动力,采用的是涡扇-涡喷双工作模式,而J58是涡喷-冲压双工作模式。
因此我们该清楚,这台新原理高推重发动机是我们国家科技创新道路上的又一个新里程碑。
上图是国内某个对转压气机专利技术的资料,不过请注意这张图是简化的原理示意图,实际产品的结构不是这个样子的。
这种新原理压气机技术上相对传统发动机有很多的优势,首先是单级压比非常高,传统的轴流式压气机的压比最多在1.6左右。但是对转压气机的单级压比能达到2~4。仅此一项就能大幅度减少压气机的级数,比如推比十一级的涡扇发动机其高压压气机的总压比在6左右。
无论中美都是用六级压气机叶片来实现的。如果换成对转压气机就只要2~3级叶片就够了,级数至少能够大大减少一半,这样重量至少也能够大大减少一半。重量降了,发动机的推重比自然就提上去了,我们大家都知道压气机的重量通常占到一台涡扇发动机的60%左右。能省一半重量,发动机整机推重比就能大大的提升30%。
但这并不算完,因为对转压气机不光可以省掉一半的转子叶片,而且因为转子叶片是对转的,还可以省掉所有的静子叶片。我们大家都知道普通的涡扇发动机的压气机,每两排转子叶片之间还有一排静子叶片。
这就意味着同样的压缩比,对转压气机的重量可能只有传统轴流式压气机的四分之一左右。这可以大幅度提升发动机的推重比。而且涡轮前进气温度都不用提高!
那么这个高推重比能高到什么程度?2013年左右国内的官方媒体就公开过这一推重比数字——15。
这一数字非常之高,高到远超于社会公众对我国航空发动机水平的基本认知。因为一提到我国的航空发动机技术水平,无论是什么媒体,也不管懂还是不懂,都能把航空发动机拎出来,喷个三天三夜!张嘴就是我国航空发动机落后世界领先水平几十年云云。
但是公布消息的是中科院的院刊,显然是专业媒体,而且敢信誓旦旦地说国际领先,显然是对自己的技术成果信心满满的。要知道当时国内的WS10发动机才刚刚勉强过关。
那么这一技术水平在国际上算什么水平呢,战斗机使用的涡扇发动机从第三代的8个推重比提高到第四代的10个推重比花了二三十年时间,也就提高了两个推重比。
但这次我国的科研工作者直接就将这一数字一步提到15,相当于提高了2.5代。这已经不能算作是弯道超车,只能算是跨越式发展了。
上图是美国GE公司为美国第六代战斗机研制的XA100变循环发动机。XA100采用三级风扇七级高压压气机两级低压涡轮两级高压涡轮,一共十四级,比F119多了3级转子,而且是有静子叶片的设计。
我们能够正常的看到其压气机还是采用传统设计,相比上一代的F119发动机,不但结构没有简化,相反结构还复杂了不少。高压压气机在F119的基础上又增加了一级,而且静子叶片依然存在。这一方面是因为变循环技术的需要,发动机出现了更多的外涵道,另一方面是美国的压气机技术并没取得更大的技术进展。
中美双方航空发动机技术水平的此消彼长,由此可见一斑。有鉴于此,美国第六代战斗机发动机的推重比最多也就在12~13个推重比的样子,至少比我们的高推重比发动机落后一代。
当然从工程进度上我们稍稍有些落后。我们这台高推重的发动机目前可能还处在验证机阶段。上面公开的照片还不是验证机而是核心机阶段的照片
对于我国航空发动机的技术水平,我们的认知也应该与时俱进。到2030年左右这台高推重比发动机就有可能完成研制
因为落后而不发展,若干年后发动机照样落后,现在突破了,走过一个研发周期后必然就是世界领先的!
今年一月,清华大学航天航空学院王兵教授团队研制的新型发动机飞行演示试验取得成功。此次试验任务由火箭搭载升空。
火箭分为两级,一级火箭分离后,二级火箭将任务段发动机推到预定高度和速度。发动机进气道实现高效吸气,供油系统将航空煤油雾化喷入燃烧室,点火系统顺利启动,燃烧室与发动机稳定工作,获得持续推力,试验取得圆满成功。那么这种新型发动机是什么类型的发动机呢,网上有不同的说法,有说是超燃冲压发动机的,有说是冲压爆震发动机的。
其实在清华大学的官方报道中是有提及的,文中称这发动机为新型冲压发动机。但是到底是超燃冲压发动机还是冲压爆震发动机呢,文中并没明确,不过我们仍旧是可以从中找到线索。
因为官方报道中提到了自增加燃烧技术,根据这一点足能确定发动机的类型,这种新型冲压发动机应该是冲压爆震发动机。这个自增压燃烧技术实际上的意思就是爆震燃烧技术。现代航空航天发动机里面燃烧的组织方式分为两种类型,一种是等压燃烧,也叫爆燃,一种是增压燃烧,也叫爆震。
等压燃烧顾名思义就是燃烧过程压力无显著的变化,比如现在的涡喷和涡扇发动机,其发动机燃烧室内的压力是由压气机决定的。因为燃烧的速度往往是十几米每秒到几十米每秒,燃烧火焰传播的速度比较慢。
但是爆震燃烧就有很大区别,燃烧速度很快,可达到几千米每秒,火焰传播过程会产生爆震波,会压缩燃烧室内的燃油空气混合物,使气体压力增大,这是所谓的自增压燃烧技术。
而简单的亚音速燃烧冲压发动机和超燃发动机的燃烧也属于爆燃而不是爆震,其燃烧室内的压力主要看进气道设计和飞行速度,并不可能会出现燃烧过程中燃烧室压力大幅度的增加的情况。
所以我们大家可以肯定此次试验的发动机属于冲压爆震发动机。而且从公开的试验演示动画来看,其燃烧室是单一的圆环形结构,能确定不是脉冲爆震发动机而是旋转爆震发动机。
而且报道中提到此项技术是国内空白,而且从零起步,构建新型热力循环方式。这就更不可能是超燃冲压或亚燃冲压发动机了。
因为我国的亚燃冲压发动机上个世纪都已经实用化了,已经有很多型号实际投入到正常的使用中了。而超燃冲压发动机我国也在2015年试验成功。
所以这两种冲压发动机都称不上填补国内空白,从零起步构建新型热力循环方式就更谈不上了。而且王兵教授的论文大部分也是研究爆震发动机的。所以此次试验的发动机类型能确定就是冲压连续旋转爆震发动机。
那么这种冲压旋转爆震发动机有什么技术优势呢,首先是省油。因为爆震和爆燃的热力学效率是不一样的,爆震的工作效率要比爆燃要高。
而且因为燃烧的时间也要比爆燃短很多,往往是以毫秒计的,所以燃烧生成的氮氧化合物更少,这样排放更少,更加环保节能。而且这种爆震燃烧技术不光可以用在冲压发动机上,也可以用在涡轮、涡扇发动机上,甚至是火箭发动机和燃气轮机上也可以用,可以大幅度提高发动机性能。
正是因为有这些优点,所以使用爆震燃烧技术的自增压发动机也被归类为第七代航空发动机技术,比上述提到的六代机变循环发动机还要先进。这一新型发动机的试验成功打破了我国航空航天发动机技术跟随式发展的模式,能轻松实现换道超车,实现对国际领先水平的超越。
2024-March-16
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