臨近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

郭適俊

摘 要 臨近空間飛行器是近幾年的研究熱點(diǎn)，其可以被廣泛應(yīng)用在軍事、通信等多個(gè)領(lǐng)域，具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。文章針對(duì)臨近空間飛行器的推進(jìn)問題，總結(jié)了當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)、優(yōu)劣及實(shí)現(xiàn)可能性，探討了動(dòng)力系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 臨近空間飛行器；動(dòng)力系統(tǒng)；太陽(yáng)能；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）225-0122-02

1 研究背景

臨近空間飛行器，是指在臨近空間范圍內(nèi)作持續(xù)或高速飛行的飛行器，其飛行高度為20到100千米，介于飛機(jī)和衛(wèi)星飛行高度之間，在軍事偵察、通信、對(duì)地作戰(zhàn)以及民用觀測(cè)、探測(cè)、通信等方面有著重要的開發(fā)應(yīng)用前景。一方面，臨近空間高度跨度大，空氣稀薄且不受雨雪等惡劣天氣的影響，特別適合高速飛行和長(zhǎng)時(shí)駐空；另一方面，氣體密度小、分布不均勻，且伴隨復(fù)雜的電離現(xiàn)象，常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在臨近空間使用，為臨近空間動(dòng)力系統(tǒng)的研究提出了挑戰(zhàn)。

按照飛行速度，臨近空間飛行器可分為低動(dòng)態(tài)飛行器和高動(dòng)態(tài)飛行器。低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器主要有浮空氣球、平流層飛艇以及高空低速無(wú)人機(jī)等，速度較低，執(zhí)行偵察、觀測(cè)、通信等任務(wù)；高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器主要為高超聲速飛行器，執(zhí)行精確打擊、戰(zhàn)略威懾等任務(wù)。不同的應(yīng)用背景對(duì)飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)提出了不同要求，而在當(dāng)前主要的研究熱點(diǎn)中，誰(shuí)會(huì)是未來動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的主流呢？

2 低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器

按照動(dòng)力類型，低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器可分為升力型、浮力型和升浮一體型。高空飛艇和氣球等為浮力型，即通過向內(nèi)部充灌氦氣等密度小的氣體從而產(chǎn)生浮力上升，并通過氣壓調(diào)節(jié)、電動(dòng)螺旋槳等手段對(duì)飛行高度進(jìn)行控制，機(jī)動(dòng)能力較差，技術(shù)難度也相對(duì)較低。在回收和發(fā)射時(shí)及時(shí)性不強(qiáng)，且飛行高度受到壓強(qiáng)的限制，但是其優(yōu)點(diǎn)為節(jié)約能量，能夠長(zhǎng)期滯留空中。

高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)可能是未來低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器的主要研究方向，從能源動(dòng)力上看，太陽(yáng)能和氫動(dòng)力是最適宜的能源。因?yàn)楦呖盏那缋侍鞖夥浅＿m合太陽(yáng)能的使用，而液氫的能量轉(zhuǎn)化效率較高，兩者又均為清潔能源。但太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在夜間只能使用白天存儲(chǔ)的電能，這便要求太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)化效率一定要足夠高，并需要攜帶更多的太陽(yáng)能電池，從而降低了無(wú)人機(jī)的載荷能力。此外太陽(yáng)能電池板在采集太陽(yáng)能時(shí)需要大面積展開，這就要求無(wú)人機(jī)的展長(zhǎng)一般都非常大，這就給其機(jī)動(dòng)性帶來影響。氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)具有更大的載荷能力，但目前液氫的制備成本還較高，氫燃料電池的研究也不夠成熟，而且氫燃料電池的外殼一般厚重，降低了無(wú)人機(jī)的有效載荷，因此目前高空無(wú)人機(jī)還是主要以內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，內(nèi)燃機(jī)的燃燒需要氧氣的參與，在高空一般空氣稀薄，燃燒效率被降低，能量轉(zhuǎn)換率較低。筆者認(rèn)為，從技術(shù)難度上說，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展更容易取得突破，而太陽(yáng)能和氫動(dòng)力的組合使用也是可能的發(fā)展方向。

3 高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器

臨近空間非常適合做高速飛行，高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器的速度一般都超過馬赫數(shù)3。抱著對(duì)臨近空間飛行器高速、高機(jī)動(dòng)性的期待，這里我們只討論有動(dòng)力巡航的飛行器，而忽略助推—滑翔飛行器。

首先，為推動(dòng)飛行器達(dá)到馬赫數(shù)3以上，動(dòng)力系統(tǒng)必須具有很高的比沖。

其次，飛行器最好能從零速開始起飛，由于不同翼型與氣動(dòng)布局所適合的飛行速度有所差異，因此動(dòng)力系統(tǒng)要同時(shí)能在低速和高速下工作。

最后，飛行器如果能從臨近空間飛往太空更好，這樣能建立完整的一體化的空天平臺(tái)，降低火箭發(fā)射的成本。因此，未來高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)必然向高比沖、寬速域、太空域的方向發(fā)展。目前，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是兩大研究熱點(diǎn)。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過前體壓縮面的激波對(duì)氣流進(jìn)行壓縮，高速的氣體在燃燒室內(nèi)燃燒，由噴管噴出形成推力。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足高速飛行的要求，而與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖更高，且直接從空氣中汲取氧氣，因而具有更大的載荷能力。但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)必須在飛行器達(dá)到一定飛行速度時(shí)才能正常工作，無(wú)法從零速啟動(dòng)。為解決這個(gè)問題，可由其他飛機(jī)將其推送到指定速度，但無(wú)疑耗費(fèi)了較大成本，飛行器也無(wú)法在天地往返。因此必須考慮與其他發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合，即TBCC與RBCC，分別為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組合。先由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將飛行器推動(dòng)到一定速度和高度，再打開沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作。

注意到，上述的組合發(fā)動(dòng)機(jī)還無(wú)法滿足所有的飛行要求，TBCC的飛行器無(wú)法進(jìn)入太空，RBCC無(wú)法在低速時(shí)水平飛行，更理想的組合方式是渦輪、火箭與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組合。但其實(shí)TBCC、RBCC的組合方式、模式切換等還有許多問題亟待解決，三種發(fā)動(dòng)機(jī)的組合更是為時(shí)尚早。發(fā)動(dòng)機(jī)組合與匹配問題是現(xiàn)在限制高空無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵因素之一，相對(duì)比太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)以及氫燃料無(wú)人機(jī)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)難度會(huì)更小，其存在的不是理論問題，而是技術(shù)問題。

爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是另一種吸氣式的可推動(dòng)高速飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)，和其他發(fā)動(dòng)機(jī)等壓燃燒的過程不同，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒為等容燃燒，在狹小空間內(nèi)氣體的溫度壓力急劇增加，形成爆轟波，推出后產(chǎn)生推力，進(jìn)而推動(dòng)無(wú)人機(jī)前進(jìn)。這種方式也可以被稱為定容燃燒，該燃燒方式是普通燃燒方式效率的2倍。爆轟燃燒具有更高的熱效率，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的比沖，且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣速度沒有要求，故可從零速啟動(dòng)，滿足了高比沖、寬速域的要求。

與常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)減少了壓氣機(jī)、渦輪機(jī)等結(jié)構(gòu)設(shè)備，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與重量、造價(jià)，且推重比大、可靠性強(qiáng)。爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)一次點(diǎn)火產(chǎn)生一道爆轟波的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)，具有重復(fù)點(diǎn)火、推力不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生連續(xù)爆轟波，使爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的工作效率。

目前，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的許多技術(shù)還處于研究階段，仍然面臨許多難題。首先爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的起爆與過程控制仍有一定難度，通過對(duì)同一設(shè)備多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果仍有所不同，無(wú)法做到完美控制。其次，在液體燃料燃燒過程中摻入氧化劑的過程仍無(wú)法快速、精準(zhǔn)反應(yīng)，仍然需要進(jìn)一步研究。最后由于在實(shí)際應(yīng)用中存在著推動(dòng)力不足的現(xiàn)象，需要使用多個(gè)推進(jìn)器，但是其多個(gè)動(dòng)力的耦合問題仍然亟需解決。但筆者認(rèn)為，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)比沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的應(yīng)用前景，能極大地減小飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜程度，爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)組合能完美滿足未來臨近空間飛行器的應(yīng)用。

另外，新技術(shù)和新能源在臨近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用也是未來的研究熱點(diǎn)之一。臨近空間飛行器常需要在高空長(zhǎng)時(shí)停留，因此對(duì)能源系統(tǒng)效率要求很高，而核動(dòng)力是非常理想的解決方案。如果未來核裂變和核聚變更安全可控，反應(yīng)堆體積可以做到更小，解決了防護(hù)和重量問題，那么借助核反應(yīng)所釋放的巨大能量，可以大大提升其動(dòng)力輸出功率以及續(xù)航能力，這種高空無(wú)人機(jī)不但航時(shí)長(zhǎng)，而且由于反應(yīng)堆體積小，可以有效的增加其任務(wù)載荷。

等離子推進(jìn)也是可能的發(fā)展方向之一，它不同于常規(guī)推進(jìn)器噴出的高溫高壓氣體進(jìn)行推進(jìn)，而是通過電能的作用，使惰性化學(xué)物質(zhì)形成高能量密度的等離子態(tài)噴射出去，這種發(fā)動(dòng)機(jī)不需要氧化劑的助燃，因此不用攜帶笨重的燃料瓶，為任務(wù)設(shè)備提供了更多的有效載荷。由于不涉及燃燒過程，因此其可以在低溫環(huán)境下工作，所以相對(duì)于普通高溫高壓推進(jìn)器其能源利用率會(huì)大大提高，并間接解決了高速飛行器的熱防護(hù)問題，此外電能與惰性化學(xué)物質(zhì)攜帶方便，可以設(shè)計(jì)出更好氣動(dòng)布局，減少外部風(fēng)阻造成的能量損失。

4 結(jié)論

綜上分析，單一的動(dòng)力系統(tǒng)很難滿足未來臨近空間飛行器的應(yīng)用要求，多種推進(jìn)方式的組合是未來的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器，為保證其長(zhǎng)航時(shí)的要求，以太陽(yáng)能和氫為動(dòng)力能源具有天然優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)的太陽(yáng)能電池技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)等需要更多的研究，且其存在著飛機(jī)表面積大、機(jī)動(dòng)性差的問題；而高動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)將向高比沖、大空域、寬速域的方向發(fā)展，其中爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)可能具有更大的發(fā)展?jié)摿?，但是無(wú)論理論還是技術(shù)方面，都還不成熟，仍然需要進(jìn)一步探索，但是相關(guān)的組合發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是未來研究的趨勢(shì)；另外，筆者認(rèn)為，核動(dòng)力推進(jìn)、等離子推進(jìn)等相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用可能給臨近空間飛行器的發(fā)展帶來根本性的突破。

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