美空軍新型動力：GDE-1引擎令戰機快過導彈(圖)

央視國際 (2003-02-12 12:29:15)

 
ＧＤＥ－１引擎項目的負責人卡斯特幾瓦尼在風洞實驗室的外面 

 
Ｘ－３０國家太空飛機計劃的研究人員設計的極超音速飛機的樣圖 

 
關於美軍飛機中傳説最多的也最神秘的是“極光”戰略偵察機（設計圖），它採用的可能就是超音速衝壓噴射技術製造的引擎

 
黑鳥偵察機，ＧＤＥ－１的燃料就是其現在使用的航空燃油 

 
美軍快速反應導彈，能夠在５分鐘內上升到３４２公里的高度，也採用超音速衝壓噴射技術製造的引擎

由採用超音速衝壓噴射技術製造的引擎驅動的飛行器的設想圖

　　“迅速全球打擊能力”一直是美國的軍隊、尤其是空軍追求的目標，由於美軍在這個理念中更加看中從本土出發執行海外軍事打擊行動的能力，美國設在海外的眾多軍事基地的重要性被削弱，實現這一軍事策略所缺乏的是速度更快、可靠性更高的各式武器，美軍現在把這些要求都寄託在了採用超音速衝壓噴射技術研製的新型引擎上，GDE-1就是這種引擎的原型機。

　　空軍宇航局均看重

　　你從來沒有見識過這樣的風洞：它位於紐約市郊區長島的一個商業區，如果你打開風洞運行的開關，風洞中就會産生出相當於160倍標準大氣壓的壓力，這樣巨大的壓力是借助於氫氧混合物的爆炸作用和一個兆瓦特級的發電機産生的巨大能量來實現的。兩者結合起來，足以使風洞中的環境與一架飛機在距離地面32公里的高空中以每小時8530公里的速度飛行時所遇到的惡劣大氣環境相比。在這樣的狀況下，僅僅依靠目前的技術，飛機是不太可能正常飛行的，因為強烈的大氣流所積聚的巨大扭力和能量，足以把飛機的機體和機翼採用的鎳合金扭曲甚至熔化。

　　在風洞的中央地帶，是用巨大的螺絲釘固定起來的笨重而又穩固的銅制基座，上面安裝著一項高科技工程的核心部件：一台1．8米長、約91公斤重、採用超音速衝壓噴射（Ｓｃｒａｍｊｅｔ技術製造的引擎。這是由美國宇航局和美國空軍有關部門聯合開發研製的燃燒式超音速噴氣發動機的原型機，該原型機被稱作ＧＤＥ－1引擎。

　　軍事和民用意義重大

　　美國宇航局和美國軍方聯合研製的這種噴氣發動機，能夠使飛機的飛行速度達到6～8倍音速，而其所使用的燃料仍將採用現在一部分飛機所使用的普通航空燃油，這一特點將使該型號引擎得以廣泛應用，最終將促使科研人員研製出一系列新一代的遠程轟炸機、快速反應巡航導彈以及太空發射系統，特別是在太空發射系統上的應用，將使目前進行載人和載物發射時的高昂發射成本降低到原來的百分之一。

　　追求比導彈更快的速度

　　美國宇航局和美國空軍的研發目標是，到2008年，能夠使用該型號引擎驅動小型無人駕駛飛機，並且使無人機的飛行速度能夠達到甚至超過每小時8530公里。

　　如果這種發動機研製成功，參與研究工作的那幾所大學的教授們將會一舉成名。他們所努力追求的極超音速至少要達到音速的5倍，而目前，擁有這種飛行速度潛力的飛行器僅限于導彈，它們所使用的發動機均為僅能使用一次的噴氣發動機，而燃料則是專門製造的氫燃料或者是烴（碳氫化合物）燃料，這些發動機在導彈飛行結束後即被破壞，因此這些高性能的發動機不能更多地應用於其它用途。而超音速衝壓噴射技術製造的引擎將會解決這個問題，對於將來有可能駕駛這種引擎驅動的飛行器的飛行員來説，那種感覺更像是騎在導彈上，而不是在開飛機。

　　所用技術不被看好

　　超音速衝壓噴射發動機技術是在ｒａｍｊｅｔ噴氣發動機技術的基礎上發展起來的，而該種噴氣發動機技術的原理和採用該技術製造的引擎的構造，是目前世界上所有發動機技術中最簡明的。空氣流從發動機的進氣口進入機體內，在這個過程中，狹窄的進氣管道使氣流的速度降低，同時氣流的溫度的壓力都迅速升高，然後氣流進入燃燒室與噴射進燃燒室的燃料顆粒發生燃燒作用，燃燒後的氣體迅速地從排氣口衝出，這時氣流流出的速度超過氣流進入發動機時的速度，産生向前的推力。

　　新技術源自好奇心

　　自從1950年以來，ｒａｍｊｅｔ噴氣發動機技術就被廣泛應用於製造驅動各種型號導彈的引擎上。這種技術剛開始應用的時候，進氣流的速度可以被控制在音速以下，而當引擎的速度達到7～8倍音速（7406～8533公里小時）的時候，氣流的溫度和壓力就顯著增加，發動機的性能也因此變得不穩定，因為發動機排氣口外部附近的氣體溫度已經很高，它很難再向外排放熱量。因此，機體必須進行加固、同時重量也隨著增加，這樣才能承受引擎內巨大的壓力。為了解決這個問題，一些好奇心比較強的工程師研究和開發了超音速衝壓噴氣發動機技術，採用該技術的引擎能夠在進氣流的速度不低於亞音速的情況下，保持良好的性能。

　　第一台採用超音速衝壓噴射技術的引擎，早在1961年就研製了出來，當時的研究者們也是出於好奇心才進行研究工作的，那時這樣類型的發動機被稱為“沙盒子”，即僅僅是為了滿足工程師們的好奇心理，而沒有一點實用價值。

　　不受重視情有可原

　　不過，超音速衝壓噴射發動機技術在剛出現的時候沒有受到重視，也情有可原，正如工程師們説話：“當時採用這種技術的引擎放在風洞中進行實驗的時候，它根本不可能運轉。起動以及保持引擎正常運轉就像是在颶風中點燃一根火柴棒。”因為，速度超過音速的氣流，輕而易舉地就把燃油顆粒吹到發動機外面，後來研究人員採用液態氫燃料解決了這個問題，因為氫的燃燒速度極快，而且所釋放的能量是普通燃油的兩倍。但是液態氫的密度低，這要求有更大燃料箱，而飛機的機體也就更長。在失敗了的ＮＡＳＰ計劃中，最後研究成型的飛機竟然長達61米。使用液態氫還有一個問題，液態氫的沸點為－150℃，因此還必須保證燃料箱的低溫，否則，液態氫不斷汽化，會把燃料箱撐破。

　　兩大難題得到解決

　　超音速衝壓噴射發動機技術的研製，對參與研究工作的科研人員來説是一項極大的挑戰，他們為了提高原型機的性能和可靠性，已經苦苦奮鬥了將近10年，做了無數次的實驗，而實驗的成功率則是讓人沮喪的，不過在去年5月的實驗中，他們的研究終於有了突破。

　　原型機開始産生正推力

　　在研究實驗中的遇到的一個難題是，以前的大部分超音速衝壓噴射裝置不能産生向前的（正）推力：空氣的阻力，即引擎進氣時的對機體向後的推力，比引擎向後噴射氣體時産生的向前的推動力要大。對該技術持懷疑論點的人説：“你們已經在這個技術上花費了40多年的時間，但到現在還沒有讓一個引擎産生向前的推力。”一個主要從事Ｒａｍｊｅｔ發動機技術開發的公司説：“我們現在僅靠Ｒａｍｊｅｔ就能夠使飛行器的速度達到7～8倍音速，我們覺得根本沒有必要去開發什麼超音速衝壓噴射裝置。”而該技術的支持者則對此不屑一顧，認為他們的技術對高速運行的飛行器一定更加有效。一個使研究者們比較振奮的消息是，2001年5月進行的實驗中，ＧＤＥ－1引擎原型機已經能夠産生向前的推力。但由於保密原因，研究人員拒絕透露有關推力的數據。

　　2001年5月1日，研究人員對一台ＧＤＥ－1引擎的原型機進行了首次實驗，這臺原型機是用銅製造的，只能夠運轉幾秒鐘，之後就會被內部的燃料産生的熱量破壞掉。一台實際應用的ＧＤＥ－1引擎還會安裝特殊的冷卻系統，這樣它的飛行重量也會隨之增加。

　　燃料可用普通航空燃油

　　一般實驗的過程中，通常採用的燃料依然是比較危險而又難以處理的氫燃料。因為，普通發動機吸入空氣後，會把空氣的速度降低至亞音速，而超音速衝壓噴射發動機則要把吸入的空氣的速度保持在超音速的狀態。這樣，保證燃料正常燃燒就成了一個比較難解決的問題。

　　不過，這種新型引擎，在航空工程公司配備了各種各樣先進設施的複雜風洞試驗艙裏進行測試時，使用的是ＪＰ－7燃料，這是一種更容易控制的煤油類噴氣發動機燃料，這一點對其將來的發展意義也很重大。洛克希德公司製造的“黑鳥”高空偵察機使用的就是ＪＰ－7，它的時速高達3219公里小時。ＪＰ－7航空燃油與氫燃料相比，無論在運輸上，還是在搬運過程中，都更加方便，同時由於再被噴射到燃燒室之前還要流經一個輸油管，對引擎還起到了冷卻的作用。研究人員目前的研究工作正一步一步地接近成功，在他們今年夏天所進行的幾次實驗中，就成功地在超音速環境中起動了原型發動機，並使其持續正常燃燒了相當長的時間。

　　類似計劃最終失敗

　　與ＧＤＥ－1引擎項目有點關係的是“Ｘ－30國家太空飛機計劃Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｓｐａｃｅｐｌａｎｅ ＮＡＳＰ”。1986年1月，“挑戰者”號航天飛機順利完成太空飛行任務後，當時的美國總統裏根撥了幾十億美元，設立了這個旨在研究出能夠替代火箭和太空飛船的新型飛機研製計劃，該計劃的最終目標是要研究出一種能夠在普通跑道上起飛、而能夠以極超音速的速度飛行的飛機。當時匆忙加入該計劃從事研究工作的卡斯特幾瓦尼回憶説：“當時的計劃太冒進，沒有一點現實基礎，那樣的速度要求在當時的條件下是不可能實現的。”

　　“Ｘ－30國家太空飛機計劃”在研製過程中，對相應引擎所採用的技術，選擇的就是超音速衝壓噴射技術。那時這個研究計劃還沒有要制定出開發具體的飛行器的計劃，它當時的研究工作主要圍繞使發動機的性能能夠滿足使飛行器的速度達到每小時2575公里的要求，而這一點對超音速衝壓噴射發動機技術來説是可以實現的。

　　而計劃的最終目標是要借助於採用超音速衝壓噴射發動機技術研製的新型引擎的高性能，使飛行器的飛行速度達到15倍音速，當時的研究者們還考慮到使用小型火箭推進器把飛行器送入預定軌道中，以使計劃更為可行。而要完成這個雄心勃勃的計劃，還有至關重要的一點：製造出全新的耐高溫混合材料。

　　最終，計劃的研究人員雖然製造出了原型機，但機器的表現十分糟糕，同時由於預測數據的精度要求難以實現，且受當時使用的計算機的性能限制，這個計劃于1992年以失敗宣佈告終。後來該計劃的原班人馬都進入了超音速衝壓噴射發動機研製項目組，並在燃料和冷卻系統的研究中取得了長足的進步。

　　通力合作目標各異

　　實驗中的情形在研究人員看來“跟火箭點火時的情形差不多”。不過，這種引擎的研究者們所要避免的就是這種發射火箭般的情形，美國宇航局和美國空軍需要的是吸氣式飛行工具，它能夠以火箭飛行時的速度在空中遨遊，但不需要攜帶沉重的液態氧。

　　軍方的要求是具有“迅速的全球打擊能力”的飛行工具，它，可能是遠程轟炸機、作戰半徑大大增長的戰鬥機、新型的巡航導彈，能夠在盡可能短的時間內由本土而不是海外的軍事基地起飛對地球上的任何目標進行攻擊。

　　而宇航局則試圖通過此種發動機的成功研製，拋棄他們現在使用的笨重而性能又不穩定的火箭發射系統，這些發射系統耗費了大量的能量，而運載的大部分東西不是人和其他試驗物資，而是它們自身的重量和所攜帶的液態燃料的重量，這些重量幾乎佔了總重的99％。美國宇航局先進運輸計劃的負責人斯笛夫庫克説：“火箭技術已經沒有什麼潛力可以挖掘。”如果你要在大氣層中飛得更快和更高，發射器就應該相應地更輕和更有效率。

　　雖然媒體在談到極超音速飛機的時候，習慣用2小時內從紐約飛到東京來比喻，但這個研究工程與美國的航空公司一點關係也沒有，其主要的支持者是五角大樓和美國宇航局。

　　實驗風洞專門製造

　　為達到實驗所需條件，所做的工作難度相當大。由於對速度的要求前所未有，研究人員建造了專門的風洞。在直徑為1．8 米的圓柱形實驗艙裏，要産生所需要的強大氣流，需要耗費巨大的能量，而所使用的設施則是眾多的容器、管道和閥門所組成的一個迷宮一樣的世界，就是在這樣一個錯綜複雜的環境下，試驗室在短時間內使空氣的流動達到了不可思議的速度。

　　巧妙設計製造逼真飛行環境

　　風洞的進氣口，與卡車大小的一組鋼制圓柱型儲氣罐連接在一起，罐中儲存的是20噸重的壓縮氣體。儲氣罐中16立方厘米的空間裏，空氣的重量就有1088公斤。風洞的排氣口與位於風洞後面的直徑為14．6米的球型鋼制真空罐連接在一起。實驗進行時，先把真空罐內容納的空氣抽出，達到距離地面2．44萬米的大氣狀態，在這個高度，大氣接近於真空狀態。

　　然後，圓柱型儲氣罐中儲存的空氣被輸送到一個加熱器中，加熱器由氫氧混合燃料燃燒加熱，可把流經的空氣的溫度加熱到4000℃的高溫，而空氣在加熱的過程中，由於混合燃料的不充分燃燒，部分氧氣被釋放到流經的空氣中，空氣流中氧氣的含量得以增加，使得噴射衝壓發動機的運轉能夠更加穩定。

　　被加熱後的空氣流經一個火箭形狀的噴頭，被其噴射到試驗艙中，艙中的ＧＤＥ－1引擎被這樣的氣流包圍著，而引擎的進氣管則把吸入的空氣的速度降低並進行壓縮，與此同時，加熱過的燃油也被噴射到發動機的燃燒室中，發動機開始燃燒過程産生動力。

　　實驗艙中的溫度和壓力測試表也同時開始工作，記錄下實驗過程中溫度和壓力值及其變化過程。安裝在引擎上的拉力表則記錄下引擎所産生的向前的推力的變化過程。儲氣罐中儲存的空氣可以使實驗持續30秒甚至1分鐘，這段時間已經足夠用來起動引擎，並使引擎的燃燒持續一段時間，以使安裝在內部的各種儀錶記錄下各種數據的變化，供研究人員分析。實驗場地由研究火箭的科學家控制，由於所使用的氫氧混合燃料産生了極高的溫度和巨大的氣壓，實驗過程相當危險，而且氫氧混合物也是極容易爆炸的物質，因此在實驗過程中一點也馬虎不得。

　　成功並非遙不可及

　　對於飛行員來説，如果有幸駕駛ＧＤＥ類引擎驅動的飛機，那種感覺肯定非常奇妙，感覺更像是騎在導彈上，而不是在開飛機。

　　在ＮＡＳＰ計劃中，參與者為飛行物設計了非常小的側窗，但是，側窗上沒有擋風玻璃——因為還找不到合適的材料，這種材料必須輕巧、透明，而且能經受873℃～1310℃的高溫。其設計比較特別的是，飛行器沒有前窗，而且駕駛員座艙的位置離飛行器的前端也非常遠，以致飛行員不可能通過前窗看到飛行器外的情景。這樣設計是因為，5倍音速使得飛行員所看到的景物都是被拉伸變形後的景象。因此，飛行員將依賴電腦合成影像來飛行。

　　由於有了ＮＡＳＰ計劃的前車之鑒，沒有人能保證設計出一架可實際運行的飛行器——不論是導彈、運載火箭還是極超音速轟炸機。雖然，ＧＤＥ－1引擎的研究似乎也很慢，但是卡斯特幾瓦尼稱，這只是“一個合理的時間範圍。投入更多的資金將會加速研究進度，但是即使是9個女人也不可能在一個月中生出個孩子來。”

　　但是，一種由（ｆｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ）超音速衝壓噴射裝置推進的飛行器，似乎離現實並不那麼遙遠。研究人員曾拿超音速衝壓噴射引擎同20世紀40年代的噴氣發動機做比較，他説：“許多人認為它們（超音速噴壓衝射裝置）太奇怪，只適用於軍用飛機——但是，20年內我們將把它用於747飛機。”