航空发动机:2030年超音速民航或商用

没得比

　“临界鹰(SR-72)”将使用涡轮发动机与双模式冲压发动机的组合体作为动力，SR-71的飞行员能在机舱内看到舱外“地球曲率和头顶上布满星星的黑色天空”，那么，SR-72会给人们带来什么壮丽的空天景观?
　　2月21日，中国航发集团在沈阳对新组建的重点型号研制工作团队进行动员，集团党组书记、董事长曹建国要求集智攻关，加快推进型号研制。
　　21世纪，世界航空发动机技术发展是什么趋势?近日，记者就此问题专访了北京天骄航空产业投资有限公司创新研究院副院长、国家“千人计划”专家王光秋。
　　“21世纪，超高音速飞行是空天发展的方向，而涡轮冲压组合发动机，是支撑这一飞行的航空动力新技术。”王光秋说，这一先进的航空动力将使飞行速度达到音速的6倍(时速7344公里)，他依此推测“超音速民航飞机或可在2030年实现商用，时速或达5000公里。按照这个速度，北京飞纽约仅需2小时。”
　　60年，速度从100公里/小时到3马赫
　　更高、更快、更省和更安全，是人类对飞行器永恒的追求。
　　从活塞、涡喷到涡喷亚冲压变循环组合，航空速度从100公里/小时到3马赫(1马赫为1倍音速)，用了60年。
　　1903年12月17日，世界首架飞机使用了一台汽油活塞发动机，飞行距离260米，最高时速100公里。
　　“在飞行速度大于600公里/小时后，螺旋桨效率会急剧下降。因此，采用活塞式航空发动机—螺旋桨组合的飞机，其飞行速度不可能达到声速或以上。”王光秋说。
　　而喷气发动机和燃气涡轮发动机则能使新型航空发动机做到功率更大、重量更轻。其工作原理是进气、压缩、燃烧、排气。
　　喷气方式有几种?“大约有冲压、脉冲、涡轮、涡轮/冲压或者涡轮—火箭等几种，根据不同原理采用不同喷气方式。”王光秋解释说，低于音速时，采用涡轮风扇方式;高亚音速和超音速时，采用涡轮喷气方式;当速度大于2倍音速之上，采用冲压方式。
　　上世纪60年代，普惠大胆尝试将涡喷与冲压组合在一起，行内称之为“变循环”，使航空推进技术实现了重大跨越。
　　这一新模式使J58发动机在半个世纪前横空出世。
　　1965年，搭载J58的“黑鸟(SR-71)”创造出最大时速3马赫的神奇。使“黑鸟”自诞生以来，至今仍保持着使用空气发动机的载人飞机最快速度。
　　“J58发动机用一台发动机实现了两种不同的工作原理，采用涡喷与亚冲压两种模式组合，可以满足传统飞行模式和3倍音速以上飞行状态下的不同要求。在以3.2马赫飞行时，约70%推力来自以冲压模式工作的进气道。”王光秋说。
　　由J58开启的变循环组合模式新概念，持续引领了长达半个多世纪的航空推进技术发展方向。
　　30年，超音速巡航催生“燃油性经济”
　　J58发动机虽然惊艳，但是油耗奇高。公开资料显示，每小时油耗高达25万美元。
　　为追求经济性，低涵道比涡扇发动机概念于上世纪50年代出现。在解释涡扇发动机时，王光秋说，“由于涡喷气流通道只有一个，高速效率较高，但十分废油。增加一个气流通道，则可实现推进效率高，油耗低，因而能够获得较大的推重比。”
　　涵道比，是涡扇发动机外涵道与内涵道空气流量的比值。“对这个比值的不断改变，成为数十年来航空动力技术持续提高的但是高涵道比涡扇发动机仅适合亚音速飞行，要实现技术可行、具有良好燃油经济性的两倍声速飞行成为可能，仍需要解决一系列技术挑战。
　　一边需要无与伦比的亚音速和超音速性能，一边渴望优良的燃油经济性，变循环发动机的概念呼之欲出。
　　“传统涡喷发动机主要是通过采用加力燃烧技术实现加速和超音速飞行，而先进的变循环发动机则是通过改变发动机的循环参数如涵道比等，更为高效地完成包括超音速飞行在内的不同飞行任务。”王光秋说。
　　上世纪80年代中期，面对超音速巡航的需求，相比普惠F-119稳健的技术方案，通用F-120大胆启用了超前的三涵道变循环概念，不仅结构简单得多，零件数也比F-119少40%。
　　“虽因技术太超前，用户最终选择了F-119，然F-120可谓虽败犹荣。”王光秋这样评价F-120，“也是因为通用对F-120新技术持续近30年的坚持，使美国预研技术始终和现役技术保持着合理的时间间隔，确保了技术领先优势。”
　　20年，涡轮冲压组合将速度推至6马赫
　　2013年11月，美国《航空周刊》杂志正式披露，洛克希德·马丁公司已开启SR-72高超音速无人侦察机研制。根据计划安排，SR-72项目将于2018年启动，2023年左右进行原型机试飞，于2030年左右服役。
　　资料显示，SR-72侦察机，代号“临界鹰”，取代“黑鸟(SR-71)”，是目前第四代战斗机最大飞行速度的三倍，甚至其飞行速度比一些常见的导弹还要快，堪称人类制造的“最快飞机”。
　　“临界鹰(SR-72)”的动力会采用什么组合?
　　王光秋分析，“临界鹰(SR-72)”将使用涡轮发动机与双模式冲压发动机的组合体作为动力，涡轮发动机将飞机加速到马赫数3后，亚超燃冲压发动机点火，继续加速至马赫数5时，超燃冲压发动机点火并将飞机加速至马赫数6。当然，SR-72也会比SR-71更省油，效率更高。
　　这也意味着，“临界鹰”动力是将几种推力形式组合在一起，达到一个性能最优的目标。
　　这个组合会有哪几种方式，能达到什么效果?王光秋认为，如果以串联的涡轮亚燃冲压发动机组合方式，可达到4马赫速度;而用并联涡轮超燃冲压发动机组合方式，则可达到6马赫速度。
　　半个世纪前，“黑鸟(SR-71)”飞到了24000米临界大气层的高度，不远的将来，“临界鹰(SR-72)”会给人们带来怎样壮丽的空天景观?