美国披露新型高超声组合循环发动机方案——Hyscram

据美国《航空周刊》2020年3月25日报道,总部位于加州的初创公司HyperSpace Propulsion正在开发一种创新型组合动力概念,名为“高超声速混合超导燃烧冲压加速磁流体动力(Hyscram)”发动机。公司将其定性为超导电混合TBCC(superconducting electric hybrid TBCC),在传统TBCC基础上融合了超导电力、磁流体力学(MHD)等技术,提供了一种实现从静止启动到马赫数8以上飞行的潜在动力方案,可望供高超声速飞机、导弹等商业和军事应用,也可能用于运载系统。

研究进展

Hyscram基线概念是在HyperSpace的姊妹公司——HyperMach 21世纪10年代推出的混合电-气涡轮机(用于被称为HyperStar的5马赫商务喷气飞机)的基础上衍生而来的。2011年以来,HyperSpace公司首席执行官Lugg申请的专利达9项,涉及领域包括超导涡轮推进与发电、等离子电磁双模冲压发动机、超导电风扇、电动压气机、等离子燃烧室、磁悬浮等,均与Hyscram密切相关,由此可以推测,Hyscram的研究工作几近十年。

据悉,最初的混合动力民用发动机概念的开发周期比预期的要长,但随着美国国防部对高超声速技术兴趣的增加,TBCC新方案的研究也得到了更多的关注。目前根据与美国海军研究实验室(NRL)的一项合作研发协议,公司将分为三个阶段对该发动机进行测试,最初重点是对缩比混合亚燃/超燃通道进行风洞测试,测试将在美国海军研究实验室的高超声速风洞进行[1];然后在2023年开展飞行验证;如果得到批准,第三阶段将测试更加集成的发动机和Hyscram TBCC整机。

HyperSpace公司首席执行官Lugg表示,如果电动混合超燃冲压发动机获得成功,其产品就有可能成为海军武器项目,同时保持既定的发展方向,未来将完整的Hyscram发动机应用于商业高超声速项目。

目前,HyperSpace公司设想的客机概念可载200人、航程19631千米(10600海里)、马赫数为6.65,暂时定于21世纪30年代初投入使用。该客机配置了4台86.2吨(190,000磅)推力的商用型Hyscram发动机,与军用TBCC概念的一些基本设计特征相同。

Hyscram发动机的构型

作为一种TBCC,Hyscram发动机的“涡轮”部分,即核心机,是一个配置磁悬浮风扇、压气机和涡轮级的涡扇发动机,并在轴向配置了一系列超导发电机。由于每个旋转级都通过主动永磁空气轴承来定位,因此该设计不需要机械支撑轴、油系统或齿轮传动。等离子燃烧室产生离子流,与尾气一起,由发动机后部的四环MHD电磁加速装置加速。

Hyscram发动机的“冲压”部分是环绕在核心机外围(类似木桶的形式)的9个亚燃/超燃双模冲压发动机。通过一个可调进气锥或中心锥来调节进入亚燃/超燃冲压通道的空气量。这类似于洛克希德公司SR-71所使用的设计,可以根据飞行条件前后移动锥体。进气锥采用电力驱动,当其移到最前端时,气流被引导到亚燃/超燃冲压通道,而当缩回时,大部分气流被分流到产生电力的涡轮核心机。Lugg称,涡轮+冲压+MHD的“三保险”方式可以保证任何时候都有推力输出。

图1 可调进气锥用于控制涡轮核心机的进气量,并将空气分流到亚燃/超燃冲压通道

涡轮发动机的外壳也构成了双壁亚燃/超燃冲压通道的内壳。双壁之间的空间用于容纳JP7/8供油与冷却子系统,同时也为电磁动力系统和控制系统提供空间。

Hyscram发动机特点

HyperSpace公司声称,这种超导电动混合TBCC与传统TBCC相比有诸多特点和优点。

1 “电”是发动机的一大亮点

涡轮核心机不间断工作,持续供给电力。Hyscram的涡轮核心机配置有一个三级风扇、一个13级压气机(均为电驱动)和一个低速亚声速燃烧室。从燃烧室流出的气流流经三级涡轮时,既能产生推力又能产生电力。为了在整个飞行包络中产生大量的电力,当飞行马赫数超过5时,涡轮核心机仍然运转工作。当马赫数达到6以上时,由于亚燃/超燃冲压发动机已接力工作,此时涡轮核心机主要用于产生电力而非推力。

涡轮产生的电力的输出方向

电力主要有两个用途,一部分电力用来驱动MHD,继而通过MHD增加推力,控制激波,更重要的是还可以给亚燃/超燃冲压发动机的等离子体燃烧室提供恒定的点火源。按照计划,Hyscram发动机推进的飞行器将具有高机动性,发生“不启动”的机率非常高[2],因此,通过支板喷射点火系统利用MHD进行电驱动燃烧,有望使亚燃/超燃冲压发动机在马赫数5~8的整个工作区间都能够保持稳定。

涡轮核心机产生的另一部分电力还通过发动机中心空腔传递给压气机和风扇。值得一提的是,可以像控制墙上的开关一样调控输电对象,比如当从亚燃向超燃冲压模态转换时,前三级压气机无需工作,此时就可以将其断电;而当达到马赫数5.5左右时,已转换为超燃模态,此时几乎不需要任何机械压缩,那么只需保留高压压气机工作,将压气机的其他级断电。

发动机的启动也离不开“电力”。涡轮核心机将利用地面供电的电力启动。电力输入来启动感应电机,同时,涡轮叶片旋转,进而开始压缩空气,实现燃烧,从而启动。一旦启动,就产生电力,供风扇低速运行。

2 组合方式有点特别

无论是采用并联还是串联组合,传统TBCC都是“1+1(即1个涡轮+1个冲压)”组合,而Hyscram发动机则是“1+9”组合。而且,Hyscram发动机的组合方式非串联非并联,可以说是“寓并于串”。如图3所示,从大的布局上看,该发动机更象串联组合方式:冲压发动机将涡轮发动机环抱,都有进气锥;而从流动流道上来看,该发动机又极似并联组合方式:两种流路相对独立。但是,Hyscram发动机有一个共用中心流道,涡轮核心机完全集成并嵌入到亚燃/超燃双模冲压发动机内部,形成一体的质量流,故而降低了体积、重量和复杂性;同时,这种设计方案也避免了“茧缚”热涡轮机(注:传统串联TBCC当工作在冲压模态时,需要将涡轮“茧缚”起来,避免过热受损)的问题。

美国披露新型高超声组合循环发动机方案——Hyscram

3 涡轮到双模冲压模态的接力马赫数更高

公司估计,涡轮模态将工作到马赫数5~6,然后双模冲压发动机接力工作,将飞行器加速到8马赫以上。Lugg称,涡轮发动机之所以可以在非常高速度下工作,是因为其无轴电动设计,以及其旋转机械的所有载荷都是由发动机结构的外骨架承载。

评述

1 美国TBCC技术方案更加多元

早期,美国TBCC研究工作主要聚焦于高速涡轮+冲压的标准配置,如2003年启动的猎鹰(FALCON)项目中的发动机。但是近十余年,美国大胆尝试将新手段、新技术植入TBCC设计理念中。航空喷气发动机公司的“TriJet”发动机方案中,火箭增强引射冲压发动机(ERJ)担负起在涡轮和双模超燃冲压之间搭建桥梁的作用;DARPA的“先进全速域发动机”(AFRE)的项目中,利用射流预冷技术扩展涡轮发动机工作包线;波音高超声速飞客机概念中则借助“佩刀”预冷技术为涡轮冲压注入新生力;Hyscram发动机更是引入了超导电、MHD等多项新技术,为我们攻克TBCC中固有的涡轮与冲压之间的推力陷阱问题提供了新思路。

2 新技术的嵌入带来挑战

如上所述,Hyscram发动机融入了多种高新技术元素。MHD在上个世纪80年代由俄罗斯的Freishtadt V L提出后,俄罗斯、美国、法国、日本、意大利等国纷纷对其在高超声速飞行器及超燃冲压发动机上的应用开展研究。俄罗斯在AJAX高超声速飞行器项目的研究就显示,MHD技术不仅可以改善超燃冲压发动机推力特性,还可作为不同飞行路径中具有高功重比飞行器的电源。超导电力技术是超导与电力结合的产物,是21世纪具有经济战略意义的高新技术,“美国电网2030”计划将超导电力技术放在一个十分重要的位置上。在肯定Hyscram发动机特点与优势的同时,我们也要看到,多种新技术的嵌入、特殊构型的采用(如9个亚燃/超燃双模冲压发动机)等因素,都将带来诸多的不确定性和复杂度,公司能否按照时间节点实现阶段目标,拭目以待。[作者:北京海鹰科技情报研究所 李文杰]

[1] 风洞计划于2020年秋季投入使用,依靠一个加压空气源和一个收扩喷管来获得测试点,可以复现高度从海平面到30千米以上,复现马赫数从1.3到6+。

[2] 发动机扰动引起的强激波会向上游传播,当从进气口溢出时,就会发生不启动这一不稳定现象

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