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2020-07

科普:TDLAS技术助力新一代航空发动机发展

Author:admin

近日,我国出台外交政策,制裁美国著名军火公司洛克希德·马丁公司。作为研发生产F-22、F-35、F-16等著名战斗机的国际顶尖军火商,洛克希德·马丁这家公司强在哪里?到底有什么杀手锏值得学习?今天,小编带大家来扒一扒洛马公司的航空发动机黑科技,其中,当然少不了TDLAS的身影。


关于美军的“黑鸟之子”SR-72超音速飞机(注:著名的黑鸟间谍机代号SR-71的后续机型)的报道可追溯至2007年,当时有未经证实的消息透露,洛克希德·马丁公司正在为美国空军开发一种能够以六倍音速或6马赫(6,400公里/小时)的速度飞行的飞机。洛克希德·马丁的臭鼬工厂针对SR-72的开发工作于2013年11月1日由《航空周刊》和《太空技术》首次发表。消息爆出后,公众对此的关注程度,瞬间瘫痪了《航空周刊》的服务器。


 

SR-71与SR-72对比介绍。图源:《航空周刊》


洛马公司的SR-72超音速(无人)战斗机是SR-71(代号“黑鸟”)间谍机的后续机型。采用混合冲压发动机,共享进气和尾气涵道,通过导流板决定空气流动路径,起飞后涡轮发动机将速度提升至3马赫(注:1马赫=1倍音速)后,导流板切换,超燃冲压发动机开始工作,可将飞机最高时速提升至6马赫。


SR-72采用的超燃冲压发动机是喷气发动机的一种,依靠燃料和氧化剂的燃烧产生推力。与常规喷气发动机相似,超燃冲压发动机驱动的飞机携带燃料,并通过大气中的氧气作为氧化剂(这一点与运载燃料和氧化剂的火箭不同)。该要求将超燃冲压发动机限制在地球亚轨道的大气推进作用下,此时空气中的氧气含量足以维持燃烧。


超燃冲压发动机由三个基本组成部分组成:汇合的进气口,用于压缩进入涵道的空气;燃烧室,气体燃料与大气中的氧气燃烧产生热量;以及发散喷嘴,加热的空气在发散喷嘴做功加速,产生推力。与典型的喷气发动机(例如涡轮喷气发动机)不同,超燃冲压发动机不使用旋转的,类似风扇的转子来压缩空气。相反,飞机在大气中可达到的速度导致空气在进气口内被压缩。这样,超燃冲压发动机中不需要运动部件。相比之下,典型的涡轮喷气发动机需要多级旋转的压缩转子和多级旋转涡轮,所有这些都增加了发动机的重量,复杂度和更多的故障风险点。


 

喷气发动机的老中青三代(a)涡轮发动机;(b)冲压发动机;(c)超燃冲压发动机。(图源:来自网络)


由于其设计的性质,超燃冲压发动机的正常工作仅限于超音速速度。由于缺少机械压缩部件,超燃冲压发动机需要高超音速流的高动能,才能将进入的空气压缩到工况状态。因此,超燃冲压发动机驱动的飞行器,必须先通过其他推进方式如涡轮喷气发动机,轨道炮或火箭发动机加速至所需的工况速度(通常约为4马赫)。在由超燃冲压发动机驱动的波音X-51A的飞行实验过程中,测试机被波音B-52“同温层堡垒”提升至飞行高度,然后被可分离的火箭释放并加速至4.5马赫。2013年5月,另一次测试的飞行速度提高到了5.1马赫。


1950年代以来,超燃冲压技术一直在发展,但直到最近,超燃冲压技术才成功实现了动力飞行。尽管超燃冲压发动机在概念上很简单,但实际的实施受到很多极端技术的挑战和限制。大气中的超音速飞行,会产生巨大的阻力,并且机体和发动机内部的温度可能远高于环境空气的温度。除了这些其他的超音速发动机也会遭遇的挑战外,超燃冲压最大的挑战来自于维持高超音速燃烧(Hypersonic Combustion),即需要掌握必须在几毫秒内喷射,混合,点燃和维持稳定高超音速燃烧的技术。

 

SR-72亚轨道飞行概念图

(图源:来自网络)


TDLAS技术,在高超音速航空发动机研发及飞控过程中,起到了举足轻重的作用。TDLAS为冲压发动机的性能测试,模型验证,反馈控制提供了一种高时间分辨,多参数,多位置,高温高压环境下仍然可靠工作的非接触式测量手段。可以有效克服燃烧前、过程中、燃烧后的极大温度、压力、流场变化的影响,获得稳定可靠的燃烧状态信息。例如,美国斯坦福大学针对温度,流速,H2O,CO2O2和其他燃烧组分开发的TDLAS传感器,已经成功经过地面测试和原型验证,并于2012年完成机载测试。

 

基于光纤TDLAS技术的超燃冲压发动机多参数监测原理及实验平台

(图源:来自网络)


 

典型案例

 

用于机载的TDLAS发动机燃烧分析模组(图源:美国空军)

 

2008年,俄亥俄州赖特·帕特森空军基地-AFRL科学家正在与行业合作伙伴Southwest Sciences,Inc.合作,为基于TDLAS的测量平台的首次飞行测试做准备。该测试是高超音速国际飞行研究与实验(HIFiRE)计划的一部分,并得到了美国空军小型企业创新研究(SBIR)以及美国国防部的支持。该团队已经对基于激光技术和定制的数字电子信号处理设备进行了优化调整和小型化,以便于开发采用可调二极管激光吸收光谱(TDLAS)的独特机载测量平台。


TDLAS平台提供了一种全新的方法,来测量飞行中的发动机流路内的燃烧气体分子种类和速度。为了从飞行实验中获得最大的信息,该方法采用了一种称之为波长调制光谱技术的高敏感测量技术以及数千赫兹的采样率。这项努力标志着该技术首次进行了小型化,以适合于探测火箭飞行实验的规模使用,其中仪器的质量和功率要求分别为2kg和2W。


HIFiRE代表了美国与澳大利亚达成的一项为期7年的双边协议,以进行超高音速航空航天技术的基础探索和开发研究。计划在HIFiRE探空火箭的三个飞行中进行TDLAS实验。这些活动将专注于开发能够实时测量核心流特性的新型的,适用于飞行器的非侵入式光谱分析技术,以表征关键的载具/发动机参数,如入口空气通量的捕获,稳定性极限和超音速燃烧过程。


专家们已证明了TDLAS飞行测量硬件可以在前所未有的温度和振动条件下正常运行。首次飞行于2008年进行,目标是使TDLAS实验从技术准备水平TRL2(即技术概念和/或应用形成阶段)过渡到TRL4(即在实验室环境中对组件和/或光学面包板级的模组进行验证)。后续分别在2009年和2010年再进行两次飞行。该团队希望TDLAS测量平台将在HIFiRE的最终8马赫的超音速燃烧冲压发动机推进飞行演习中达到TRL6状态(即在相关环境,地面或太空中的系统/子系统模型或原型演示)。




参考文献:


[1]. https://en.wikipedia.org/wiki/Scramjet#:~:text=Progress%20in%20the%202000s,-Main%20article%3A%20Scramjet&text=In%20the%202000s%2C%20significant%20progress,demonstrated%20supersonic%20

combustion%20in%20action.


[2]. https://www.wpafb.af.mil/News/Article-Display/Article/400822/miniaturized-laser-based-measurement-capability-aids-scramjet-engine-performanc/



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