超音速冲压喷射技术.docx

美空军新型动力：GDE-1引擎令战机快过导弹（图）央视国际 (2003-02-12 12:29:15)GDE-1引擎项目的负责人卡斯特几瓦尼在风洞实验室的外面X—3 0国家太空飞机计划的研究人员设计的极超音速飞机的样图关于美军飞机中传说最多的也最神秘的是“极光”战略侦察机（设计图）， 它采用的可能就是超音速冲压喷射技术制造的引擎黑鸟侦察机，GDE- 1的燃料就是其现在使用的航空燃油美军快速反应导弹，能够在5分钟内上升到3 4 2公里的高度，也采用超音速冲压喷射技术制造的引擎由采用超音速冲压喷射技术制造的引擎驱动的飞行器的设想图“迅速全球打击能力” 一直是美国的军队、 尤其是空军追求的目标，由于美军在这个理念中更加看中从本土出发执行海外军事打击行动的能力， 美国设在海外的众多军事基地的重要性被削弱，实现这一军事策略所缺乏的是速度更快、可靠性更高的各式武器，美军现在把 这些要求都寄托在了采用超音速冲压喷射技术研制的新型引擎上， GDE-1就是这种引擎的原型机空军宇航局均看重你从来没有见识过这样的风洞： 它位于纽约市郊区长岛的一个商业区， 如果你打开风洞运行的开关，风洞中就会产生出相当于160倍标准大气压的压力，这样巨大的压力是借助于氢氧混合物的爆炸作用和一个兆瓦特级的发电机产生的巨大能量来实现的。

两者结合起来，足以使风洞中的环境与一架飞机在距离地面32公里的高空中以每小时8530公里的速度 飞行时所遇到的恶劣大气环境相比在这样的状况下，仅仅依靠目前的技术，飞机是不太可能正常 飞行的，因为强烈的大气流所积聚的巨大扭力和能量，足以把飞机的机体和机翼采用的镍合金扭曲甚 至熔化在风洞的中央地带，是用巨大的螺丝钉固定起来的笨重而又稳固的铜制基座，上面 安装着一项 高科技工程的核心部件：一台 1. 8米长、约91公斤重、采用超音速冲压喷射 这是由美国宇航局和美国空军有关部门联合 开发研制的燃烧式超音速喷气发动机的原型机，该原型 机被称作GDE- 1引擎军事和民用意义重大美国宇航局和美国军方联合研制的这种喷气发动机，能够使飞机的飞行速度达到6 8倍音速，而其所使用的燃料仍将采用现在一部分飞机所使用的普通航空燃油， 这一特点将使该型号引擎得以广泛应用，最终将促使科研人员研制出一系列新一代的远程轰炸机、快速 反应巡航导弹以及太空发射系统，特别是在太空发射系统上的应用，将使目前进行载人和载物发射时 的高昂发射成本降低到原来的百分之一追求比导弹更快的速度美国宇航局和美国空军的研发目标是，到2008年，能够使用该型号引擎驱动小型 无人驾驶飞 机，并且使无人机的飞行速度能够达到甚至超过每小时 8530公里。

如果这种发动机研制成功，参与研究工作的那几所大学的教授们将会一举成名他们所努力追 求的极超音速至少要达到音速的5倍，而目前，拥有这种飞行速度潜力的飞 行器仅限于导弹，它 们所使用的发动机均为仅能使用一次的喷气发动机，而燃料则是专门制造的氢燃料或者是烃（碳氢 化合物）燃料，这些发动机在导弹飞行结束后即被破坏，因此这些高性能的发动机不能更多地应用 于其它用途而超音速冲压喷射技术制造的引擎将会解决这个问题，对于将来有可能驾驶这种引擎 驱动的飞行器的飞行员来说，那种 感觉更像是骑在导弹上，而不是在开飞机所用技术不被看好超音速冲压喷射发动机技术是在ramjet喷气发动机技术的基础上发展起来的，而该种喷气发动机技术的原理和采用该技术制造的引擎的构造， 是目前世界上所有发动机技术中最简明的空气流从发动机的进气口进入机体内，在这个过程中，狭窄的进气管道使气 流的速度降低，同时气流的温度的压力都迅速升高，然后气流进入燃烧室与喷射进燃烧室的燃料颗 粒发生燃烧作用，燃烧后的气体迅速地从排气口冲出，这时气 流流出的速度超过气流进入发动机时 的速度，产生向前的推力新技术源自好奇心自从1950年以来，：ramjet喷气发动机技术就被广泛应用于制造驱动各种型号导弹的引擎上。

这种技术刚开始应用的时候，进气流的速度可以被控制在音速以下，而当引擎的速度达到7〜8倍音 速（7406〜8533力就显著增加，发动机的性能也因此变得不稳定，因为发动机排气口外部附近的气 体温 度已经很高，它很难再向外排放热量因此，机体必须进行加固、同时重量也随着增加，这 样才能承受引擎内巨大的压力为了解决这个问题，一些好奇心比较强的工程师研究和开发了超音 速冲压喷气发动机技术，采用该技术的引擎能够在进气流的速度不低于亚音速的情况下，保持良好的 性能第一台采用超音速冲压喷射技术的引擎，早在1961年就研制了出来，当时的研究者们也是出于 好奇心才进行研究工作的，那时这样类型的发动机被称为“沙盒子”，即仅仅是为了满足工程师们 的好奇心理，而没有一点实用价值不受重视情有可原不过，超音速冲压喷射发动机技术在刚出现的时候没有受到重视，也情有可原，正如工程师们说 话：“当时采用这种技术的引擎放在风洞中进行实验的时候，它根本不可能运转起动以及保持引 擎正常运转就像是在飓风中点燃一根火柴棒因为，速度超 过音速的气流，轻而易举地就把燃油颗 粒吹到发动机外面，后来研究人员采用液态氢燃 料解决了这个问题，因为氢的燃烧速度极快，而且所 释放的能量是普通燃油的两倍。

但是液态氢的密度低，这要求有更大燃料箱，而飞机的机体也就更 长 在失败了的NASP计划中，最后研究成型的飞机竟然长达 61米使用液态氢还有一个问题，液态氢的沸点为-150C，因此还必须保证燃料箱的低温，否则，液态氢不断汽化，会把燃料箱 撑破两大难题得到解决超音速冲压喷射发动机技术的研制，对参与研究工作的科研人员来说是一项极大的挑战，他们 为了提高原型机的性能和可靠性，已经苦苦奋斗了将近 10年，做了无数次的实验，而实验的成功率则是让人沮丧的，不过在去年5月的实验中，他们的研究终于有了突破原型机开始产生正推力在研究实验中的遇到的一个难题是，以前的大部分超音速冲压喷射装置不能产生向前的（正） 推力：空气的阻力， 即引擎进气时的对机体向后的推力，比引擎向后喷射气体时产生的向前的推动力要大 对该技术持怀疑论点的人说：“你们已经在这个技术上花费了 40多年的时间，但到现在还没有让一个引擎产生向前的推力一个主要从事Ramjet发动机技术开发的公司说： 〃我们现在仅靠Ramjet就能够使飞行器的速度达到7〜8倍音速，我们觉得根本没有必要去开发什么超音速冲压喷射装置而该技术的支持 者则对此不屑一顾，认为他们的技术对高速运行的飞行器一定更加有 效。

一个使研究者们比较振奋的 消息是， 2001年5月进行的实验中，GDE— 1弓I擎原型机已经能够产生向前的推力但由于保密原因，研究人员拒绝透露有关推力的数据2001年5月1日，研究人员对一台GDE— 1引擎的原型机进行了首次实验，这台原型机是用铜 制造的，只能够运转几秒钟，之后就会被内部的燃料产生的热量破坏掉一台实际应用的GDE— 1引擎还会安装特殊的冷却系统，这样它的飞行重量也会随之 增加燃料可用普通航空燃油一般实验的过程中，通常采用的燃料依然是比较危险而又难以处理的氢燃料因为，普通发动 机吸入空气后，会把空气的速度降低至亚音速，而超音速冲压喷射发动机则要把吸入的空气的速度 保持在超音速的状态这样，保证燃料正常燃烧就成了一个比较难 解决的问题不过，这种新型引擎，在航空工程公司配备了各种各样先进设施的复杂风洞试验舱 里进行测试 时，使用的是JP- 7燃料，这是一种更容易控制的煤油类喷气发动机燃料，这一点对其将来的发展意 义也很重大洛克希德公司制造的“黑鸟”高空侦察机使用的就是JP 一乙它的时速高达3219 7 航空燃油与氢燃料相比，无论在运输上，还是在搬运过程中，都更加方便，同时由于再被喷射到燃烧室之前还要流经一个输油管， 对引擎还起到了冷却的作用。

研究人员目前的研究工作正一步一步地接近成功，在他们今年夏天所 进行的几次实验中，就成功地在超音速环境中起动了原型发动 机，并使其持续正常燃烧了相当长的时 间类似计划最终失败与GDE— 1引擎项目有点关系的是“X— 301 Aerospaceplane 1986 年 1 月，“挑战者〃号航天飞机顺利完成太空飞行任务后，当时的美国总统里根拨了几十亿美元，设立了这个旨在研究出能 够替代火箭和太空飞船的新型飞机研制计划，该计划的最终目标是要研究出一种能够在普通跑道上起 飞、而能够以极超音速的速度飞行的飞机当时匆忙加入该计 划从事研究工作的卡斯特几瓦尼回忆 说：“当时的计划太冒进，没有一点现实基础，那 样的速度要求在当时的条件下是不可能实现的X— 30国家太空飞机计划”在研制过程中，对相应引擎所采用的技术，选择的就 是超音 速冲压喷射技术那时这个研究计划还没有要制定出开发具体的飞行器的计划，它当时的研究工作主要围绕使发动机的性能能够满足使飞行器的速度达到每小时公里的要 2575求，而这一点对超音速冲压喷射发动机技术来说是可以实现的而计划的最终目标是要借助于采用超音速冲压喷射发动机技术研制的新型引擎的高性能，使飞行 器的飞行速度达到 15倍音速，当时的研究者们还考虑到使用小型火箭推进器把飞行器送入预定轨道中，以使计划更为可行。

而要完成这个雄心勃勃的计划，还有至关重要 的一点：制造出全新的耐高温混合材料同时由于预最终，计划的研究人员虽然制造出了原型机，但机器的表现十分糟糕，测数据的精度要求难以实现，且受当时使用的计算机的性能限制，这个计划于1992年以失败宣布告 终后来该计划的原班人马都进入了超音速冲压喷射发动机研制项目组，并在燃料和冷却系统的研究 中取得了长足的进步通力合作目标各异实验中的情形在研究人员看来“跟火箭点火时的情形差不多”不过，这种引擎的研究者们所 要避免的就是这种发射火箭般的情形，美国宇航局和美国空军需要的是吸气式飞行工具，它能够以火 箭飞行时的速度在空中遨游，但不需要携带沉重的液态氧军方的要求是具有“迅速的全球打击能力”的飞行工具，它，可能是远程轰炸机、作战半径大大 增长的战斗机、新型的巡航导弹，能够在尽可能短的时间内由本土而不是 海外的军事基地起飞对地 球上的任何目标进行攻击而宇航局则试图通过此种发动机的成功研制，抛弃他们现在使用的笨重而性能又不稳定的火箭 发射系统，这些发射系统耗费了大量的能量，而运载的大部分东西不是人和其他试验物资，而是它 们自身的重量和所携带的液态燃料的重量，这些重量几乎占了总 重的99%。

美国宇航局先进运输计划 的负责人斯笛夫•库克说： “火箭技术已经没有什么潜力可以挖掘如果你要在大气层中飞得更快和更高，发射器就应该相应地更轻和 更有效率虽然媒体在谈到极超音速飞机的时候，习惯用2小时内从纽约飞到东京来比喻，但 这个研究 工程与美国的航空公司一点关系也没有，其主要的支持者是五角大楼和美国宇航局实验风洞专门制造为达到实验所需条件，所做的工作难度相当大由于对速度的要求前所未有，研究人员建造了 专门的风洞在直径为 1. 8米的圆柱形实验舱里，要产生所需要的强大气流，需要耗费巨大的能量，而所使用的设施则是众多的容器、管道和阀门所组成的一个 迷宫一样的 世界，就是在这样一个错综复杂的环境下，试验室在短时间内使空气的流动 达到了不可思议的速 度。