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这款空天发动机完成关键试验,能瞬间将1000度气流冷却到零下150度

阅读量:3848835 2019-10-27


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英国佩刀发动机可以用于新一代空天飞机
近日有消息说英国佩刀发动机成功完成冷却系统试验,标志着这种发动机研制取得了重大进展,为整机研制打下了坚实的基础。
根据相关消息,佩刀发动机它的冷却系统在速度为5马赫条件下,在0,05秒钟之内成功冷却温度高达1000度的气流,达到了预期目标。

佩刀发动机结构示意图,注意图下冲压燃烧室
佩刀发动机是英国为空天飞机研制新一代发动机,它主要目标是为高超声飞行器、空天飞机提供动力系统。现在航空涡喷发动机工作速度很难超过3马赫,火箭发动机几乎不能重复使用。
而佩刀发动机成功将两种发动机结合在一起,共用涡轮泵、尾喷管等部件,形成涡轮/火箭发动机。考虑到飞行器高速飞行,佩刀发动机还装有若干个冲压燃烧室,也能够为发动机提供一定的推力。
佩刀发动机关键就是将涡喷发动机工作速度提高到5马赫,这样就可以给火箭发动机提供更大初始动能和高度,然后发动机转换成火箭模式,实现单级入轨。
前面说过涡喷发动机工作速度很难超过5马赫,其中一个难题就是高速气流无法直接进入燃烧室燃烧,需要进行减速,在这个过程之中气动做功发热,气流减速过程之中温度会迅速升高。
而涡喷发动机推力来源于气流进/排之间的温度差,进气流温度越高,发动机推力相应就越低。
现在解决办法就是超燃冲压发动机,它让气流不经减速直接进入燃烧室燃烧,但是超燃冲压发动机难度太大,并且需要其他动力系统提供启动速度,动力系统非常复杂。

预冷器是佩刀发动机研制关键

佩刀发动机发展路线图
佩刀发动机选择技术路线对气流进行冷却,这样就能提高发动机进/排温度差,从而得到提高发动机推力,增加工作速度。
这样优点就是发动机结构相对简单,减少体积和重量,这对于空天飞机来说是非常宝贵的。
不过佩刀发动机难点就是发动机冷却,由于气流速度极高,从进气道到燃烧室距离又非常短,因此要求冷却系统能够在这极短时间之内完成对气流冷却,另外一方面又不能结霜,避免发动机管道堵塞,实现
起难度非常大。佩刀发动机采用液氦作为发动机冷却系统媒介,以避免氢脆现象,另外它的预冷器呈螺旋状,由大量金属管组成,这些微管道增大与空气接触的面积,提高热交换效率,可以有效冷却来流。
按照工程技术人员的说法,佩刀发动机冷却器能在百分之一秒内,将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度,并且不会造成霜冻堵塞。

佩刀发动机可以实现单级入轨
由于佩刀发动机实现了涡轮发动机直接转换火箭发动机,飞行包线更加宽广,速度可以从0到20马赫,实现单级入轨。发动机不需要冲压发动机过渡,结构更加简单,体积和重量更低,比冲、推重比和油耗等方面性能都要优于涡轮/冲压发动机等组合发动机。
正是它拥有上述优点,英国在过去30年时间之内一直坚持发展这种发动机,计划以佩刀发动机发展SKYLON空天飞机,实现单级入轨,SKYLON空天飞机长约 83.米,机身最大直径 6 米,翼展 25.米,空重 53 吨,可用推进剂质量 250吨,额定起飞质量约 325 吨。
采用主推进系统由两台佩刀发动机组成,轨道和姿态控制由 2 台推力 轨道机动发动机以及安装在后部的 32 台反作用控制系统完成。
SKYLON空天飞机可以象普通飞机那样从普通机场起飞,佩刀发动机先在涡喷模式下将飞机加速到M5,高度接近3万米,然后转换成火箭发动机,实现单级入轨。
由于佩刀发动机具备较高效能,所以美国、欧洲也计划引进佩刀发动机,研制高超声速飞行器和空天飞机。
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