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[发动机] 高超声速推进技术的新进展

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zhh894217 发表于 2018-12-10 16:49 | 显示全部楼层
“超大型打气筒”我国10000公里/时超燃冲压发动机风洞试验获突破

中国航天空气动力技术研究院  今天
近日,我院空气动力实验与工程应用研究所(第二研究所)成功完成的氢氧燃烧推进试验,实现了5毫秒时间内,氢气在速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气中的超声速自主燃烧,并获得了超声速燃烧模态下的试验数据和火焰图像。

微信图片_20181210164627.jpg
风洞试验观测到的出口火焰结构

“超大型打气筒”

承载此次试验的是我院自主研发建造的我国首座、国际最大口径自由活塞驱动高能脉冲型风洞。该风洞的运行犹如操作一个“超大型打气筒”,通过重活塞的高速运动产生高温和高压的驱动气体,进而压缩试验气体达到高总焓及高总压的状态,再由喷管加速,实现对飞行器返回地球或地外星球进入时的超高速飞行环境的模拟乃至复现。

微信图片_20181210164642.jpg 微信图片_20181210164645.jpg
高能脉冲风洞
据二所四室负责人介绍,此次氢氧燃烧推进试验,一举攻克了超高速超燃冲压发动机地面试验的两大关键技术性难题,一是通过极为精确的时序控制技术,在百分之一的眨眼时间(5毫秒)内实现了氢燃料与速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气之间的空间交汇,并且达到“你中有我,我中有你”的水乳交融状态;二是利用光壁横向喷注与凹腔稳焰相结合的技术,实现了氢燃料的超声速点火与稳定燃烧,这好比在高强度龙卷风中实现了一根火柴的点燃及稳定燃烧。
此项试验的成功,不仅标志着我院高能脉冲风洞正式迈入实用化阶段、真正成为先进飞行器的孵化器,更表明此风洞的3千米/秒(10000公里/小时、马赫10)量级氢氧燃烧推进试验能力取得关键性突破,从而为我国的超高速超燃冲压发动机研究提供了良好的技术储备。此举将大幅加快天地往返运输系统动力技术的革新进程,促进现有动力的“开弓没有回头箭”难题的解决,从而实现真正的“腾云驾雾”、灵活自由地穿梭于天地间。

(文/卢洪波、阮亚奇 图/刘伟 视频/阮亚奇 编辑/小十一)
https://mp.weixin.qq.com/s/VjVjMfzqsaGYaqXzmaMX3Q
QGP! 发表于 2018-12-11 07:37 | 显示全部楼层
速度与X-43A接近。。。
3431 发表于 2018-12-11 09:58 | 显示全部楼层
QGP! 发表于 2018-12-11 07:37
速度与X-43A接近。。。

X43A记得是五到七马赫吧?
QGP! 发表于 2018-12-11 11:51 | 显示全部楼层
3431 发表于 2018-12-11 09:58
X43A记得是五到七马赫吧?

9.6Mach.......
漆室葵忧 发表于 2018-12-11 11:54 | 显示全部楼层

  中国那个是燃料燃烧时的气流速度,不是飞行速度,气流在进入燃烧室之前,已经经过了减速。
QGP! 发表于 2018-12-12 01:38 | 显示全部楼层
漆室葵忧 发表于 2018-12-11 11:54
这个是燃料燃烧时的气流速度,不是飞行速度,气流在进入燃烧室之前,已经经过了减速。

为了防止有什么误解,那我把原文抄送如下:

"The test goal was to show that the scramjet could produce as much thrust as the drag on the vehicle, and thus maintain a cruise condition. The top speed reached during the scramjet-powered flight was Mach 9.68, this was Mach 2.85 faster than the peak speed achieved by the second X-43A less than eight months earlier."
---P273 The X-43A Flight Research Program: Lessen Learned on the Road to Mach 10. By Curtis Peebles
漆室葵忧 发表于 2018-12-12 10:33 | 显示全部楼层
QGP! 发表于 2018-12-12 01:38
为了防止有什么误解,那我把原文抄送如下:

"The test goal was to show that the scramjet could pro ...

说的是中国搞的那个氢氧燃烧推进试验是燃烧时的气流速度。
红水兵 发表于 2018-12-12 18:51 | 显示全部楼层
QGP! 发表于 2018-12-11 07:37
速度与X-43A接近。。。

不能复现的试验不是成功的试验。
QGP! 发表于 2018-12-12 21:39 | 显示全部楼层
红水兵 发表于 2018-12-12 18:51
不能复现的试验不是成功的试验。

你是怎么知道它不能复现的?书里面说的很清楚,是要实现巡航条件,而且收集数据与数值模拟进行比较,结论是符合。你是不是喜欢靠自己的想当然来判断

X-43A是在高空投放进行的实体飞行,之前有地面试验。实体飞行就是它设定的飞行环境,当然是真实环境的复现。难道不是么?你可以说这样做太费钱,但说这样不能复现。。。把脑子里的水排排吧
红水兵 发表于 2018-12-12 22:53 | 显示全部楼层
QGP! 发表于 2018-12-12 21:39
你是怎么知道它不能复现的?书里面说的很清楚,是要实现巡航条件,而且收集数据与数值模拟进行比较,结论 ...

实际上就造了3架,第一架飞行试验失败,第二架最高飞到7马赫,第三架才有9.6马赫的极值。所以你打算用第几架来“复现”?
1717jy 发表于 2018-12-14 18:57 | 显示全部楼层
https://www.bilibili.com/video/av38042390

本次实验的超燃发动机有实机出现了!

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捕获151.JPG
zhh894217 发表于 2019-2-27 15:28 | 显示全部楼层
感动人物 | “超极动力”发动机研制团队:劈波斩浪 从未止步
中国航天科工  昨天


中国航天科工

2018感动人物

候选人事迹选登

(二十五)

“超极动力”发动机研制团队:

劈波斩浪 从未止步

创新求索的步伐从未止步,劈波斩浪的担当愈战愈勇。有人说,站在巨人肩膀上前行是这一代人的幸运,但挑战未知、逢山开路、遇水建桥的苦楚只有他们自己默默承担。作为研究世界最前沿技术领域发动机的总体团队,他们十年磨一剑,走出一条自主创新发展之路,跻身国际同类技术第一梯队,并在我国独创独有方面取得重大突破。他们,就是肩抗某国家级重大任务的三院“超极动力”发动机研制团队。

传承,才有更高起点的创新
创新需要舍我其谁的信念,需要敢为人先的勇气,更需要站在历史积淀上传承前行。2006年,团队在刘兴洲院士的带领下,一干三年、北至漠河、三上世界屋脊,圆满完成北京奥运会珠峰火炬和地面手持火炬研制任务,兑现了北京申奥时“将奥运火种传递至世界第三极”的庄严承诺,汇聚航天智慧的祥云火炬永载国际奥运史册。

飞行器发动机,被誉为“工业皇冠上的明珠”,其结构之复杂,设计、装配之困难堪称世界性难题。这一次“超极动力”团队选择了更艰难的“从无到有”。这是一次向科技之巅发起的全新挑战,更是航天人向技术前沿、创新发展迈出的坚实一步。动力系统是飞行器研制的重中之重,国家急需,重任在肩,失败不起,摆在团队面前的是常人难以想象的压力和挑战。

创新的事业绝不是固步自封地低头造车,更需要开拓的视野、充分的协同。面对全新的技术探索,每个专业都要“跳”起来发挥极致才有可能达到要求,而这过程中的余量掌握和力度把控需要在充分的沟通协调中达成共识。经历了多年的磨砺,团队早已拧成了一股绳,形成了一股强大的力量克服众多困难。为了寻找更适合的材料,团队同国内30多家单位一起合作开展新材料研制,进行了上千次试片试制。集智协作,让研制工作步入了快车道。

涅槃,才得浴火重生的勇气
对于创新的热爱与追求,激励着团队不断摸索、认知、熟悉不同的全新领域,直到最适合的产品为发动机所用。新品研制边生产边调整是常态,为了保证第一时间解决问题,他们轮班值守在外协厂“安家”。小到一个螺钉、螺套,从选材、加工、涂层、试验、实现都是一步步探索出来。为了一个细小的螺钉,设计人员甚至往返外协厂跑了几次。在追求“工匠精神”的今天,他们用比“匠人”更极致的追寻去开展每一步研制。

双手拿着扳手锁丝,满头大汗,脚步匆匆,在试验台和准备间里穿梭,攀上爬下。如果不介绍,很难想象这是总体室的设计人员,大家亲切地称他们是最一线的博士团队。从清明到中秋,为了一次关键的验证试验,“博士团”带着大家一起做试验准备。在没有空调的密闭试验仓里,湿透的衣服粘在身上,空气里弥漫着油味和材料细屑,每一处衔接,每一处锁丝都由他们自己完成。白天在试验基地,晚上赶班车回办公室改方案,每个岗位都在全力冲刺。

验证试验的进度和质量要求,远远超越以往。队员们仅用十几天就完成了原计划三四十天的试验准备工作。每天连续工作十几个小时,无论再晚,坚持“半夜例会”梳理部署第二天工作,确保“事不过夜”。试验前夜,技术讨论仍持续到凌晨一两点,极度的紧张忙碌过后,团队成员们走在回房间的走廊,却感到无比踏实。那一夜,很多人都疲惫无眠,期待与感动同在,“我们只希望它更好!”涅槃,只是浴火重生后的柳暗花明。

奉献,执着追求的生动演绎
这支由各专业“骨干”组建而成的精英团队,虽然年轻,但个个身怀绝技。他们中有经历过航天器研制的年轻总师,有经历过奥运火炬燃烧系统研制的结构设计师,更有在团队中锻炼成长已经能够独当一面的年轻“85后”总体设计师。

郭博士,爽朗的“女汉子”,团队中仅有的几位女将之一,作为结构主体设计,一路呵护着发动机从概念萌发到羽翼丰满。为了不耽误工作,生病期间多次拒绝住院治疗选择门诊输液,常常是刚拔了针、手上戴着输液预埋管就跑回总装现场处理问题。每次大家催促她休息,总是爽快地回一句“不用,我比你们都熟!”试验准备就绪,她依然每天早晚跑到厂房里观察发动机,闻油的味道来判定状态,“一看、一闻”成了她每天必做的功课。

小柳经历过奥运火炬燃烧系统研制,攀登过海拔5200米的珠峰大本营。担当起搜寻重任,为了克服沿途巨大的颠簸,只能用行李打包带把身体绑在座椅上。当晚,五个人挤在一间只有两张床板的简陋房间里打地铺蜷缩一夜,而晚餐,是连盐都没有的白水煮面条。

产品研制阶段,技术状态频繁交错,各环节在拼抢时间的同时,给设计和装配带来了巨大的压力和众多未知挑战。总装现场,设计小焦几乎24小时不停歇,连续一周的时间他每天只睡三四个小时。似乎身体已经适应了紧张状态下长时间高强度连续加班,他已经不太感觉到累,节点紧迫,任务高度集中,有太多的事情等着处理。

总体组组长费博士,曾戏言“不攻克难关就不刮胡子”,连续半年驻扎试验基地,满脸浓密的胡须格外引人注目;陆姐的先生进驻试验场不在家,她独自一人半夜抱着不到周岁的二宝到办公室看数据;研制进度争分夺秒,多名骨干经常在现场连续36小时不休息。“科学、创新、集智、超越”的团队精神越来越生动。

前行,只为刺破苍穹的绽放
天道酬勤,激动时刻终于到来,现场响起近乎疯狂的掌声,有泪水、有哽咽,但更多的是继续前行的巨大信心!未来迎接他们的是更加艰巨的挑战。短暂几天的休整,这群疯狂的人们又回到各自岗位,创新与机遇,不容他们有丝毫的懈怠。

几百种方案、数千次试验、无数个通宵,紧密围绕重大研究项目,团队不断突破新型发动机核心关键技术,圆满完成多次重大试验任务,三项成果分获国家科技进步二等奖、国防科技进步一等奖,他们以智慧和汗水换来我国国防实力质的飞跃。

没有比创新更难的险峰,没有比坚持更久的信念。这个几十人的年轻团队带着对事业的追求与热爱集结在一起,用坚毅与执着勇闯科技创新之巅。携手闯过了“独木桥”,打开了一片天,更加期待刺破苍穹的绚丽绽放。这是一项不可能短时间完成的艰巨任务,但在历经风雨之后,成员们更想体验下一站暴风雨的澎湃肆虐,这份自信和担当正激励着大家向更峻峭的险峰挺进!

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz ... ne=23&srcid=#rd
1717jy 发表于 2019-3-18 09:47 | 显示全部楼层
  1. http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab628/info74770.htm
复制代码

——提出多凹腔超声速燃烧组织理论与方法 为宽范围超燃冲压发动机设计提供重要支撑

本文提要:在国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”(2007-2016)和国防科技大学创新工程项目等支持下,国防科技大学王振国院士带领的科研团队,通过大量基础研究,深入揭示超声速气流中的流动、混合及燃烧机理,提出多凹腔超声速燃烧组织理论与方法,有效解决了超燃冲压发动机宽范围火焰稳定和燃烧组织难题,为宽速域超燃冲压发动机设计提供了重要支撑,成果应用于继美国和澳大利亚联合研制的HiFIRE后第二个低成本临近空间高超声速通用试飞平台(代号“凌云一号”)的超燃冲压发动机设计,经飞行试验验证,被美国《航空周刊》称为“里程碑成就”。成果同时应用于国家重大专项,有力支撑了超燃冲压发动机研发。

  超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机(冲压是指飞行器迎面空气流不经过压气机直接进入发动机后减速增压的过程),它是马赫数5以上高超声速飞行器的最佳动力装置,是吸气式高超声速飞行器的首要关键技术。超燃冲压发动机与传统发动机相比,具有结构简单、重量轻、成本低、速度快、单位推力高(单位质量流量推进剂产生的推力)和有效载荷更大的优点,适合作为高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力,具有重要的航空航天和军事应用前景。

  超燃冲压发动机技术难度极大,国际上经60余年研究尚未正式定型,但近年来进展很快,已处于从关键技术攻关向工程研制转换阶段。由于没有现成经验可供借鉴,需要在大量理论研究、试验探索和改进设计的基础上,攻克燃料喷注与混合增强、火焰稳定、低阻力流道型面设计、宽范围高效燃烧组织等关键技术,提出超燃冲压发动机燃烧室设计方法,上述过程耗费大、周期长、风险高,成为制约发动机技术发展的技术瓶颈。

  一、围绕宽范围超声速燃烧世界性难题,开展创新性基础研究

  超燃冲压发动机内气流速度高达1000m/s,远超火焰传播速度理论极限,要在这种条件下实现火焰稳定与高效燃烧,难度如同“十二级台风之中划亮火柴”。凹腔作为典型的回流区稳焰器,是有效的一体化燃料喷注/火焰稳定解决方案,但是如何进一步实现宽范围的高效低阻燃烧,如何实现燃烧释热的增强与适应宽范围飞行的匹配,仍是亟待解决的瓶颈问题,也是发动机由理论研究走向工程实用的关键所在。

  王振国院士团队运用创新思维,提出与宽范围匹配的串并联结合的多凹腔方案,包括轴对称燃烧室构型的三串联、双串联凹腔,以及矩形构型的串并联四凹腔、七凹腔方案等,通过揭示多凹腔超声速燃烧室内多回流区联合作用下的燃烧流动机理,形成了基于多凹腔回流区实现释热分布匹配的方法,提出了抑制燃烧振荡的鲁棒(稳定可靠)燃烧方案,形成了多凹腔超声速燃烧组织理论,在超声速燃烧火焰稳定、超声速鲁棒燃烧、高效超声速燃烧组织等方面取得突破,为宽范围超燃冲压发动机设计提供了重要支撑。

  在超声速燃烧火焰稳定方面,由于超燃冲压发动机内气流速度远超火焰传播速度理论极限,火焰稳定十分困难。超燃冲压发动机燃烧室内的气流驻留时间在1ms量级,在这样的条件下为确保超声速燃烧火焰稳定,科研团队系统开展了串联、并联多凹腔火焰稳定特性研究,揭示串联多凹腔通过延长气流驻留时间并提高燃料/空气湍流掺混来促进部分预混火焰稳定的机制,建立了理论分析模型,发现其通过上下游调节能够更好地适应宽范围来流条件的变化;揭示出并联多凹腔通过增加有效稳焰容积、回流区释热耦合改变激波和回流区结构来强化部分预混火焰稳定的机制,发现在局部具有燃烧明显增强的效果;提出了多凹腔火焰稳定设计方法,显著拓宽了稳焰范围,为宽范围超燃冲压发动机的稳焰设计提供了理论依据。

  在超声速鲁棒燃烧方面,由于超燃冲压发动机内的空气流动、燃料混合及化学反应过程之间强烈耦合,火焰稳定对燃烧设计参数非常敏感,凹腔本身具有高频自激振荡特性,几种因素结合,可能引起强烈的燃烧不稳定性。为确保能实现超声速鲁棒燃烧,科研团队系统分析了多凹腔超声速燃烧室中的自激振荡特性,揭示了凹腔自激振荡诱导高频不稳定燃烧机制和途径,提出采用凹腔后缘突扩消振设计抑制火焰高频振荡的方法,通过破坏凹腔自激振荡反馈循环,从不稳定性的源头上有效抑制和削减了高频燃烧不稳定的情况。该设计方法已成功应用于发动机设计,很好地解决了超声速燃烧高频不稳定问题。

  在高效超声速燃烧组织方面,超燃冲压发动机工作在宽范围条件时,单凹腔方案难以满足多状态点内接近完全燃烧程度的要求,为实现高效超声速燃烧,科研团队系统开展了凹腔串联、并联及其组合多区燃烧组织方法研究,揭示了宽范围工作条件下燃料喷注方案、稳焰回流区布置方案与燃烧室几何流道构型的相互作用规律,形成了高效低阻多凹腔燃烧组织理论,建立了串/并联多凹腔燃烧组织方法。基于串联多凹腔实现燃烧分区、并联多凹腔实现局部燃烧增强的思想,提出了分区燃烧、释热分布匹配的燃烧室设计方法和高性能燃烧组织设计准则,研发了高效低阻燃烧组织设计软件,从而为攻克超燃冲压发动机在宽范围内高效工作的难题奠定了基础。

  研究成果发表于《美国航空航天期刊》《推进与动力期刊》《航空航天科学进展》等国际顶级期刊。研究形成的超声速燃烧火焰稳定理论成为国际燃烧学界主要观点被国外领域专家广泛引用,如:美国等多国学者相继在《航空航天科学进展》(76:24–41, 2015)以及《能源与燃烧科学进展》(66:42-82, 2018)上发表综述论文大篇幅引述该理论,而将其他研究团队的成果作为补充。

  二、促进基础研究成果技术转化,实现近空间高超声速飞行试验演示验证的原创性突破

  超燃冲压发动机是近年来世界各国竞相发展的热点领域之一。美国空军研究试验室领导的X-51A“驭波者”高超声速发动机采用单凹腔设计,真实飞行试验表现出推力不足、加速慢的特点,宽范围燃烧性能未能验证。为加速推动高超声速基础科学问题研究,美国空军研究试验室同时与澳大利亚合作开展高超声速国际飞行研究试验(HIFiRE)计划,联合研制低成本高超声速飞行试验平台,针对多种构型燃烧室(包括矩形、轴对称构型,含无凹腔、单凹腔、双凹腔)开展系列飞行测试,但由于飞行试验状态单一,宽范围燃烧未有定论。

  王振国院士团队在超声速燃烧火焰稳定理论的支撑下,有效实现了宽范围超燃冲压发动机火焰稳定及燃烧组织的设计,成功研制以超燃冲压发动机为动力的“凌云一号”临近空间高超声速低成本通用试飞平台,该平台由固体助推火箭和发动机验证机两部分组成,这是继美国和澳大利亚联合研制的HiFIRE后第二个低成本临近空间高超声速通用试飞平台。 “凌云一号”飞行试验于2015年12月在酒泉卫星发射中心圆满完成,验证机采用串联双凹腔设计,在真实飞行马赫数5-6范围内验证了科研团队提出的多凹腔超声速燃烧组织理论与方法。美国航空航天权威杂志《航空周刊》2017年4月评价“这是中国首次正式公布的超燃冲压发动机飞行试验,是里程碑式的成就”。“凌云一号”作为代表性成果参加了2018年全国科技活动周展览。科研团队于2017年启动了“凌云二号”计划,在自然科学基金委组织下召集国内优势单位于2017年3月和2018年3年召开了两次专题研讨会,对搭载平台的科学问题进行规划和方案论证,目前正在组织力量开展飞行验证机的研制。

  王振国院士团队还围绕我国超燃冲压发动机技术的重大需求,将基础研究相关成果推广应用于国家某飞行器重大科技工程专项,解决了超声速燃烧室设计的系列关键难题,有力支撑了我国超燃冲压发动机的工程设计。

  三、研究工作启示及对未来领域发展的设想

  多凹腔超燃冲压发动机从理论研究到工程设计,再到试飞试验,取得重大突破,总结科研团队的基础科学研究和成果转化经验,有以下启示。

  一是基础研究是科学进步和技术突破的基石和战略引擎。基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总开关。我国之所以在超声速燃烧领域取得重要进展,是因为科研团队通过大量基础研究,深刻理解了超声速气流中的流动、混合及燃烧机理,探索出了超燃冲压发动机进气的温度、压力和动量等参数发生大幅度变化时实现火焰稳定和高效燃烧的科学规律,提出了多凹腔超声速燃烧组织理论和方法。因此,要瞄准科技前沿,进一步强化基础研究,实现引领性原创成果重大突破。

  二是注重前瞻性布局是抢占科技制高点的重要法宝。国家自然科学基金重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”是科技计划聚焦前沿、独辟蹊径的一次生动实践,该重大研究计划经过长期研讨论证酝酿,早在2007年就立项启动,于2016年结题验收。这充分说明了只有在关键领域超前部署,攻破关键核心技术,才能掌握话语权,打破重大关键核心技术受制于人的局面,在重要领域方向跻身世界先进行列,实现科技创新由跟跑、并跑向领跑转变。

  三是注重融通发展是推进基础研究成果转化的重要途径。国家重大科技工程专项为基础研究和应用基础研究提供了成果转化应用平台,研究团队将多凹腔超声速燃烧理论运用到燃烧室的流道型面设计实践中,应用于国家重大专项实施中,走出了一条从基础原始创新到关键技术研发、试验应用的实现路径。下一步,王振国院士团队将凝练高超声速基础性、前沿性科学问题,结合更先进的地面试验测量方法和数值模拟手段开展精细研究,促进建立更完善的超声速燃烧理论体系,设计更科学的方法;同时,充分发挥低成本高超声速通用试飞平台作为空中试验室的作用,开展更先进的天地一致性验证,牵引国内相关部门在流动、燃烧、传热、气动力/热、结构及材料等前沿性问题上的协同创新,推动国家新的重大专项和重大战略的部署和实施。
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