12月20日,清华大学的官网上出现了一篇标题为《我国研制的新型发动机成功测试飞行》的报道,字里行间透露出一种全新体制的发动机已经取得了突破性进展,这个新闻引发了社交媒体上广泛的讨论,然而讨论的内容竟然是这种突破的发动机究竟是哪种类型!

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清航空天:究竟是旋转爆震还是超燃冲压?

相信有很多对高超音速发动机比较了解的网友都不相信,清航空天试验了什么发动机,我一眼就能看出来,不过这回连种花家也是一头雾水,下面引用清华官网的报道的配图和配文,看看各位火眼金睛能看出啥:

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“清华新闻网12月20日电 近日,由清华大学自主研制的“清航叁号”新型发动机圆满完成飞行试验任务,标志着我国自主研制的基于新型燃烧技术的发动机取得重要进展,进入工程实践阶段。”
该新型发动机是清华大学研究团队在“清航壹号”研究基础上,针对宽速域应用条件持续自主研发的新型发动机,其具有经济性指标高、结构简单等优点。此次飞行试验成功获取了发动机的真实飞行数据与性能特性参数,验证了新一代高速飞行动力技术的可行方案,为进一步工程应用奠定了重要基础。

各位看出啥关键信息了吗?种花家统计了下只有如下几个关键描述:

  1. 基于新型燃烧技术的发动机;
  2. 进入工程实践阶段;
  3. 在“清航壹号”研究基础上
  4. 宽速域应用条件持续自主研发的新型发动机

第一个描述“基于新型燃烧技术”表示这种发动机与传统的喷气式或者火箭发动机不一样,第二个进入工程实践的意思是,该发动机接下来就是制造原型机了,这是技术体系论证与试验验证已经没有问题,可以进入原型机试制阶段了。第四个宽速域表示这是一种速度跨越很大的描述术语,基本就是高超音速发动机的代名词。

这几个描述范围很大,完全无法对应到一种发动机,唯一有用的事第三个描述,因为这是在“清航壹号”发动机基础上研制出来的,尽管技术可能有进步了,但原理应该是一样的!

“清航壹号”发动机:就有争议

2022年1月24日,清华大学航天航空学院教授王兵团队进行了自主研发的新型发动机的飞行演示试验。在预定的高度和速度范围内,发动机成功点火、稳定工作,试验取得圆满成功。该试验表明我国已经掌握该新型发动机的自主研发与工程实现能力。

这就是将近3年前的“清航壹号”发动机测试报道,与目前报道不一样的是当时报道配发了非常详细图片甚至动图说明原理:

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这四张图,左下角这张后面助推发动机微喷口,没有参考价值,其他三张都透露了不少信息,上左上右很容易就能看出这是一种轴对称的冲压发动机进气口。前面金属原色与后半部分火箭结合的开口,应该是发动机点火的喷口,测试发动机与助推不分离,主要是发动机工作不稳定或者有部分设备在后面工作舱段。

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从这个动图很容易可以看出这种发动机的工作过程,所以在全网专业度最高的知乎上分歧也比较大,一种是说法是这就是一种典型的超燃冲压发动机,从头部的轴对称近期到,中部气流通道,再到后部的燃烧室,标准的超然冲压发动机模式。

但是也有另一部分网友提出反对意见了,因为在清航官方介绍的中(不是单独介绍清航壹号发动机)提到了旋转爆震发动机,所以有网友认为这是一种旋转爆震发动机。

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但是问题来了超燃冲压发动机只能在超过5马赫+时点火,而旋转爆震是一种可以自然吸气的特殊工作模式发动机,“清航壹号”发动机需要火箭推进到高空高速时再测试,这不是超燃冲压发动机,难道还是旋转爆震发动机?

清航官方报道:找到佐证资料

北京清航空天动力的曹桢(北京清航空天动力科技有限公司总经理助理)在2024年12月时发表了一篇航空航天技术创新发展与展望的文章,提到了一个说法:

  1. 脱胎清华大学航天航空学院的清航空天已经实现了爆震燃烧技术的首次飞行
  2. 清航空天来源于清华大学的喷雾燃烧与推进实验室,主要从事连续旋转爆震技术的产业化
  3. 有了这一爆震新型燃烧动力的加持,人类太空旅行的设想将很快成为现实。

看明白了吗?这就是对清航壹号发动机燃烧模式的确认,确实属于爆震燃烧模式,但是问题来了,爆震燃烧怎么看起来和超燃冲压发动机差不多的模式呢?答案来了,清航一号是一种冲压+爆震的新体制发动机。

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超燃冲压发动机是利用超音速激波压缩空气再混入燃料在燃烧室点燃的一种发动机,需要在超音速5马赫+条件下才能启动,所以它无法零速度自启动。另一个特征是燃烧室气流速度超过音速,而连续燃烧波传递速度低于音速,工作条件非常苛刻,因此这种发动机对速度非常敏感,稍有变化可能就会对发动机工作状态造成影响,因此目前的超燃冲压发动机工作非常不稳定。

爆震发动机利用连续爆炸模式来产生动力,爆炸浓度低,爆炸波超音速传播,节油率很好,旋转爆震频率很高,推重比不错,并且还可以零速度启动,但这种发动机也存在不少问题,比如燃烧稳定性不好控制,这种自吸气模式的进气没有压缩,推力控制非常复杂(依赖爆震波频率),稍有不稳定就会性能下降甚至爆震循环中断。

所以有天才的工程师就把这两者结合起来了,利用冲压发动机的激波对进入爆震发动机的气流进行预压缩,通过激波锥的调节可以对气流压缩以及气流比例进行调节,结合燃料雾化技术,让爆震发动机实现“自适应”。

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清航壹号就是在这样的背景下发展起来的冲压爆震发动机,而清航叁号则是在一号基础上改进设计后的产品,各位可以想象一下,经过三年的研发,技术肯定有了相当不一般的突破,并且技术已经进入到了“原型机研发阶段”,估计再过2-3年,原型机都可以装机测试了。

延伸阅读:还有一种冲压转子爆震发动机

今年11月份的CJA(CHINESE JOURNAL OF AERONAUTICS中国航空学报)上爆出了一篇关于RRDE(压转子爆震发动机)的论文,是此前叫好不叫座的旋转爆震发动机升级版,更接近实用!

这种发动机的原理是在超燃冲压发动机的进气锥后面增加一个涡轮组,启动时调节进气锥将进气口调节到最大,启动涡轮组压气级,然后供给旋转爆震发动机使用,这种模式下的发动机避免了零速度启动后加速过慢,同时在进入超音速后可以通过旁路将气流越过压气级,因为在超音速气流下压气级效果不佳,反而会影响激波压缩效果。

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目前国内关于发动机方面已进入了全面发展的阶段,超燃冲压发动机、旋转爆震发动机、斜爆震发动机,冲压旋转爆震发动机,冲压转子爆震发动机,预冷式组合循环火箭发动机,随便突破一个就是划时代的进步,同时会有一种全新的飞行器出现!

高超音速飞行器 or 空天飞机

各位喜欢哪种?估计未来10~15年应该就能出现了!