本文选自黄志澄著《空天大视野》(电子工业出版社2015年10月出版)
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美国NASA历史学家柯蒂斯•皮布尔斯,在他写的《通向马赫数10之路:X-43A飞行研究计划的经验教训》中说:“在美国开发超燃冲压发动机的最初40年中,许多经验教训被人反复忽略,包括当前技术无法支持的设计目标,误将可能性当作实际的过分吹嘘,整体缺乏项目目标焦点,试验面面倶到以及社会变化对项目的影响等等。因为成功或新技术最终应用的不确定性太高,使用公共资金的尖端研究也存在与生倶来的困难。而且,将基础研究扩展到将制造飞行器作为最终目标的政治需求始终存在。”
这段活说得是何等的好啊! 误将可能性当作实际,可惜美国在液氢燃料的X-43A以后发展碳氢燃料的超燃冲压发动机时,再次忽略了这些经验教训。这段话,也让我回忆起在21世纪初,我曾应邀参加的一场规模很小,但十分精彩的研讨会。当时中国学术界对超燃冲压发动机的发展,存在两种观点,一种比较乐观,认为美国的高超声速技术离实用已不远;另一种观点比较谨慎,认为美国只是进行基础性的飞行试验而已。当时领导机关委托一家研究所,听取这两种意见。出席会议的只有5位专家。乐观派的代表是后来在这个领域很著名的两位院士,我则是谨慎派的代表,其余两位似乎持中立态度。
首先说明,双方还是有很多共识的。大家都认为,超燃冲压发动机将可能用于未来的高超声速巡航导弹、飞机和空天飞机。研制高超声速飞行器的关键是研制出在较高M数下仍有较高比冲的发动机。一般的涡轮喷气发动机在M数稍大于3时,涡轮叶片就会受热而损坏。此时,冲压发动机利用迎面气流进入发动机后减速,使空气静压增高,就不必使用压气机而仍有较高比冲。但当马赫数大于5时,这种亚燃冲压发动机,由于气流由高超声速滞止到亚声速,带来的进气损失引起发动机性能的急剧下降。气流滞止还会导致气体温度过高,超过燃烧室的耐热极限,而高温引起的气体离解,亦消耗很大一部分化学反应热,使得燃烧生成的能量受限。所以,此时就要采用超声速燃烧冲压发动机。飞行器的头部产生的斜激波和飞行器前体,将适当压缩来流气体,使其速度降低,温度升高,但到达燃烧室后仍为超声速流动。
这样,超燃冲压发动机避免了气流温度过高的问题,但也带来了许多难题。由于,空气在发动机中的滞留时间极短,仅仅有千分之几秒的时间,所以这样的燃烧,比在龙卷风中点燃一根火柴还要难,并还要让它在这样的环境下持续稳定地燃烧。因此,在燃烧室中如何使气流和燃料进行充分混合、进行稳定燃烧,就是首要的关键。当时,国外已经提出了许多方案,看起来似乎可以解决这个问题。
对于上述内容,双方并无分歧;但在发动机燃烧后产生的推力,能否大于在燃烧室中产生的阻力加上飞行器的外部阻力,却有不同的看法。两位院士认为采用乘波外形和机体和发动机的一体化设计,可以大大减少飞行器的外部阻力。我的意见是虽然这样做,的确能减小外部阻力,但目前可能采用的增加混合的方法,都会增加燃烧室的内部阻力。当速度增加时,若阻力系数不变或稍有下降,阻力就会随速度的平方增加,而此时的推力却只随速度的一次方增加。因此,推力可能不够,或推力的富裕量很小。由于不同的观点都无具体的试验数据,只能将这不同意见记录在案。
另外,两位院士都强调提高飞行速度对提高导弹性能的重要意义。提高速度可以提高它的突防能力,破坏能力和生存能力。虽然我也同意提高速度的价值,但我认为使用这种比较娇气的超燃发动机和乘波外形,也有不足,如攻角和侧滑都不能有太大的变化,从而影响其机动性。另外,高超声速飞行器有明显的红外特征,不利于隐身,且由于增加防热系统而增加成本。因此,不是速度越高越好,而应该有所折衷。
正如本文开头提到的那本书描述的那样,在2004年11月16日X-43A完成最后一次飞行试验后,这个试验团队的心情十分复杂,他们既为取得的成功感到高兴,也同时为团队就将解散而伤悲,而且他们明白,在可能性与实际之间,还存在一段相当长的距离。
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