TDLAS技術(shù)助力新一代航空發(fā)動機(jī)發(fā)展

  近日，我國出臺外交政策，制裁美國著名軍火公司洛克希德·馬丁公司。作為研發(fā)生產(chǎn)F-22、F-35、F-16等著名戰(zhàn)斗機(jī)的軍火商，洛克希德·馬丁這家公司強(qiáng)在哪里？到底有什么*值得學(xué)習(xí)？今天，小編帶大家來扒一扒洛馬公司的航空發(fā)動機(jī)黑科技，其中，當(dāng)然少不了TDLAS的身影。

  關(guān)于美軍的“黑鳥之子”SR-72超音速飛機(jī)（注：著名的黑鳥間諜機(jī)代號SR-71的后續(xù)機(jī)型）的報道可追溯至2007年，當(dāng)時有未經(jīng)證實的消息透露，洛克希德·馬丁公司正在為美國空軍開發(fā)一種能夠以六倍音速或6馬赫（6,400公里/小時）的速度飛行的飛機(jī)。洛克希德·馬丁的臭鼬工廠針對SR-72的開發(fā)工作于2013年11月1日由《航空周刊》和《太空技術(shù)》*發(fā)表。消息爆出后，公眾對此的關(guān)注程度，瞬間癱瘓了《航空周刊》的服務(wù)器。

SR-71與SR-72對比介紹。圖源：《航空周刊》

  洛馬公司的SR-72超音速（無人）戰(zhàn)斗機(jī)是SR-71（代號“黑鳥”）間諜機(jī)的后續(xù)機(jī)型。采用混合沖壓發(fā)動機(jī)，共享進(jìn)氣和尾氣涵道，通過導(dǎo)流板決定空氣流動路徑，起飛后渦輪發(fā)動機(jī)將速度提升至3馬赫（注：1馬赫=1倍音速）后，導(dǎo)流板切換，超燃沖壓發(fā)動機(jī)開始工作，可將飛機(jī)時速提升至6馬赫。

  SR-72采用的超燃沖壓發(fā)動機(jī)是噴氣發(fā)動機(jī)的一種，依靠燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生推力。與常規(guī)噴氣發(fā)動機(jī)相似，超燃沖壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動的飛機(jī)攜帶燃料，并通過大氣中的氧氣作為氧化劑（這一點(diǎn)與運(yùn)載燃料和氧化劑的火箭不同）。該要求將超燃沖壓發(fā)動機(jī)限制在地球亞軌道的大氣推進(jìn)作用下，此時空氣中的氧氣含量足以維持燃燒。

  超燃沖壓發(fā)動機(jī)由三個基本組成部分組成：匯合的進(jìn)氣口，用于壓縮進(jìn)入涵道的空氣；燃燒室，氣體燃料與大氣中的氧氣燃燒產(chǎn)生熱量；以及發(fā)散噴嘴，加熱的空氣在發(fā)散噴嘴做功加速，產(chǎn)生推力。與典型的噴氣發(fā)動機(jī)（例如渦輪噴氣發(fā)動機(jī)）不同，超燃沖壓發(fā)動機(jī)不使用旋轉(zhuǎn)的，類似風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子來壓縮空氣。相反，飛機(jī)在大氣中可達(dá)到的速度導(dǎo)致空氣在進(jìn)氣口內(nèi)被壓縮。這樣，超燃沖壓發(fā)動機(jī)中不需要運(yùn)動部件。相比之下，典型的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)需要多級旋轉(zhuǎn)的壓縮轉(zhuǎn)子和多級旋轉(zhuǎn)渦輪，所有這些都增加了發(fā)動機(jī)的重量，復(fù)雜度和更多的故障風(fēng)險點(diǎn)。

噴氣發(fā)動機(jī)的老中青三代（a）渦輪發(fā)動機(jī)；（b）沖壓發(fā)動機(jī)；（c）超燃沖壓發(fā)動機(jī)。（圖源：來自網(wǎng)絡(luò)）

  由于其設(shè)計的性質(zhì)，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的正常工作僅限于超音速速度。由于缺少機(jī)械壓縮部件，超燃沖壓發(fā)動機(jī)需要高超音速流的高動能，才能將進(jìn)入的空氣壓縮到工況狀態(tài)。因此，超燃沖壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動的飛行器，必須先通過其他推進(jìn)方式如渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，軌道炮或火箭發(fā)動機(jī)加速至所需的工況速度（通常約為4馬赫）。在由超燃沖壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動的波音X-51A的飛行實驗過程中，測試機(jī)被波音B-52“同溫層堡壘”提升至飛行高度，然后被可分離的火箭釋放并加速至4.5馬赫。2013年5月，另一次測試的飛行速度提高到了5.1馬赫。

  自1950年代以來，超燃沖壓技術(shù)一直在發(fā)展，但直到近，超燃沖壓技術(shù)才成功實現(xiàn)了動力飛行。盡管超燃沖壓發(fā)動機(jī)在概念上很簡單，但實際的實施受到很多技術(shù)的挑戰(zhàn)和限制。大氣中的超音速飛行，會產(chǎn)生巨大的阻力，并且機(jī)體和發(fā)動機(jī)內(nèi)部的溫度可能遠(yuǎn)高于環(huán)境空氣的溫度。除了這些其他的超音速發(fā)動機(jī)也會遭遇的挑戰(zhàn)外，超燃沖壓大的挑戰(zhàn)來自于維持高超音速燃燒（Hypersonic Combustion），即需要掌握必須在幾毫秒內(nèi)噴射，混合，點(diǎn)燃和維持穩(wěn)定高超音速燃燒的技術(shù)。

SR-72亞軌道飛行概念圖

（圖源：來自網(wǎng)絡(luò)）

  TDLAS技術(shù)，在高超音速航空發(fā)動機(jī)研發(fā)及飛控過程中，起到了舉足輕重的作用。TDLAS為沖壓發(fā)動機(jī)的性能測試，模型驗證，反饋控制提供了一種高時間分辨，多參數(shù)，多位置，高溫高壓環(huán)境下仍然可靠工作的非接觸式測量手段?？梢杂行Э朔紵?、過程中、燃燒后的溫度、壓力、流場變化的影響，獲得穩(wěn)定可靠的燃燒狀態(tài)信息。例如，美國斯坦福大學(xué)針對溫度，流速，H₂O，CO₂，O₂和其他燃燒組分開發(fā)的TDLAS傳感器，已經(jīng)成功經(jīng)過地面測試和原型驗證，并于2012年完成機(jī)載測試。

基于光纖TDLAS技術(shù)的超燃沖壓發(fā)動機(jī)多參數(shù)監(jiān)測原理及實驗平臺

（圖源：來自網(wǎng)絡(luò)）

典型案例

用于機(jī)載的TDLAS發(fā)動機(jī)燃燒分析模組（圖源：美國空軍）

  2008年，俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地-AFRL科學(xué)家正在與行業(yè)合作伙伴Southwest Sciences，Inc.合作，為基于TDLAS的測量平臺的*飛行測試做準(zhǔn)備。該測試是高超音速飛行研究與實驗（HIFiRE）計劃的一部分，并得到了美國空軍小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）以及美國國防部的支持。該團(tuán)隊已經(jīng)對基于激光技術(shù)和定制的數(shù)字電子信號處理設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整和小型化，以便于開發(fā)采用可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）的*機(jī)載測量平臺。

  TDLAS平臺提供了一種全新的方法，來測量飛行中的發(fā)動機(jī)流路內(nèi)的燃燒氣體分子種類和速度。為了從飛行實驗中獲得大的信息，該方法采用了一種稱之為波長調(diào)制光譜技術(shù)的高敏感測量技術(shù)以及數(shù)千赫茲的采樣率。這項努力標(biāo)志著該技術(shù)*進(jìn)行了小型化，以適合于探測火箭飛行實驗的規(guī)模使用，其中儀器的質(zhì)量和功率要求分別為2kg和2W。

  HIFiRE代表了美國與澳大利亞達(dá)成的一項為期7年的雙邊協(xié)議，以進(jìn)行超高音速航空航天技術(shù)的基礎(chǔ)探索和開發(fā)研究。計劃在HIFiRE探空火箭的三個飛行中進(jìn)行TDLAS實驗。這些活動將專注于開發(fā)能夠?qū)崟r測量核心流特性的新型的，適用于飛行器的非侵入式光譜分析技術(shù)，以表征關(guān)鍵的載具/發(fā)動機(jī)參數(shù)，如入口空氣通量的捕獲，穩(wěn)定性極限和超音速燃燒過程。

  專家們已證明了TDLAS飛行測量硬件可以在未有的溫度和振動條件下正常運(yùn)行。*飛行于2008年進(jìn)行，目標(biāo)是使TDLAS實驗從技術(shù)準(zhǔn)備水平TRL2（即技術(shù)概念和/或應(yīng)用形成階段）過渡到TRL4（即在實驗室環(huán)境中對組件和/或光學(xué)面包板級的模組進(jìn)行驗證）。后續(xù)分別在2009年和2010年再進(jìn)行兩次飛行。該團(tuán)隊希望TDLAS測量平臺將在HIFiRE的終8馬赫的超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)推進(jìn)飛行演習(xí)中達(dá)到TRL6狀態(tài)（即在相關(guān)環(huán)境，地面或太空中的系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型演示）。