风洞研究表明高超音速喷气发动机的流动可以通过光学控制

如果未来的太空旅行不再像Space-X基于火箭的星际飞船，而是更像NASA的“Hyper-X”(20年前的飞行速度比之前或之后的任何其他飞机都快的高超音速喷气式飞机)，那会怎样?

2004年，NASA最后一次X-43A无人原型机测试是喷气发动机发展新时代的一个里程碑——从冲压式喷气发动机飞跃到速度更快、效率更高的超燃冲压式喷气发动机。同年11月进行的最后一次测试创下了此前只有火箭才能达到的世界纪录速度：10马赫。这一速度相当于音速的10倍。

美国宇航局从这些测试中收集了大量有用的数据，六年后，在原型机坠入海洋之前，空军对X-51乘波者进行了类似的测试，也收集了大量有用的数据。

尽管超音速概念验证成功，但该技术还远未投入使用。挑战在于实现发动机控制，因为该技术基于数十年前的传感器方法。

然而，本月为X-plane系列的潜在继任者带来了一些希望。

作为一项新研究的一部分，弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员在《航空科学与技术》杂志6月刊上发表了数据，首次表明超音速燃烧喷气发动机中的气流可以通过光学传感器控制。这一发现可能会使超音速喷气式飞机的稳定性更有效。

此外，研究人员还实现了超音速冲压发动机的自适应控制，这在高超音速推进领域又创下了先例。自适应发动机控制系统可响应动态变化，使系统的整体性能保持最佳状态。

进行这项研究的弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任克里斯托弗·戈因(ChristopherGoyne)教授说：“自1960年代以来，我们国家航空航天工作的重点之一就是建造单级入轨飞机，这种飞机可以像传统飞机一样从水平起飞飞入太空，并像传统飞机一样降落在地面上。”

“目前最先进的飞行器是SpaceX的星际飞船。它有两个阶段，垂直发射和着陆。但为了优化安全性、便利性和可重复使用性，航空航天界希望建造更像737的东西。”

Goyne和他的合作者、弗吉尼亚大学工程系副教授ChloeDedic认为，光学传感器可能是控制方程的重要组成部分。

戈因说：“如果一架飞机以5马赫或更高的高超音速飞行，那么嵌入工作速度更接近光速而非音速的传感器可能是更合理的选择。”

该团队的其他成员包括该论文的第一作者、博士生MaxChern、前研究生AndrewWanchek、博士生LaurieElkowitz和UVA高级科学家RobertRockwell。

停止“取消启动”以保持控制

美国宇航局长期以来一直在努力防止超燃冲压发动机中可能发生的“不启动”现象。该术语表示气流突然变化。该名称源于一种称为超音速风洞的专门测试设施，其中“启动”表示风已达到所需的超音速条件。

UVA拥有多个超音速风洞，包括UVA超音速燃烧设施，它可以模拟以五倍音速行驶的高超音速飞行器的发动机状况。

“我们可以连续数小时运行测试条件，让我们能够在真实的发动机几何结构上试验新的流量传感器和控制方法，”Dedic说。

戈因解释道，“超音速燃烧冲压发动机”是超音速燃烧冲压发动机的简称，它以多年来普遍使用的冲压发动机技术为基础。

冲压式喷气发动机本质上是利用飞机的向前运动将空气“冲压”到发动机中，以产生燃烧燃料所需的温度和压力。冲压式喷气发动机的运行速度范围约为3到6马赫。随着飞机前部的进气口变窄，冲压式喷气发动机内部的空气速度会减慢到亚音速。但飞机本身不会这样。

不过，超燃冲压发动机略有不同。虽然它们也是“吸气式”发动机，基本配置也相同，但它们需要保持发动机中超高速气流才能达到高超音速。

戈因说：“如果高超音速发动机内部发生什么事情，突然出现亚音速条件，发动机就会无法启动。推力会突然减小，此时重新启动进气口可能会很困难。”

2004年11月16日，NASA的B-52B运载机搭载第三架也是最后一架X-43A运载火箭(挂载在飞马座火箭上)，巡航至太平洋上空的试验场。图片来源：NASA

测试双模超燃冲压发动机

目前，与冲压式喷气发动机一样，超燃冲压发动机也需要加速，以使其达到能够吸入足够氧气运行的速度。这可能包括安装在运载机底部的载具以及火箭助推器。

最新的创新是双模式超音速冲压发动机燃烧室，这是UVA牵头的项目测试的发动机类型。双发动机在较低马赫数时以冲压发动机模式启动，然后切换到在燃烧室内接收全超音速气流，速度超过5马赫。

在发动机进行转换时防止无法启动至关重要。

迎面而来的风与进气道壁相互作用，形成一系列激波，即所谓的“激波串”。传统上，这些激波的前缘由压力传感器控制，这些激波可能会破坏飞机的完整性。例如，机器可以通过重新定位激波串的位置来进行调整。

但是，如果飞行扰动改变了空中动态，激波序列前缘的位置可能会迅速改变。激波序列会对进气口施加压力，从而产生无法启动的条件。

因此，“如果你以音速进行感知，而发动机的运转速度却比音速还快，那么你就没有太多的反应时间，”戈伊恩说。

他和他的同事想知道是否可以通过观察发动机火焰的特性来预测即将发生的无法启动的情况。

感应火焰光谱

该团队决定使用光发射光谱传感器来获取控制冲击波序列前缘所需的反馈。

光学传感器不再像压力传感器那样局限于发动机壁上获取的信息，而是可以识别发动机内部和流道内的细微变化。该工具分析光源(在本例中为超燃冲压发动机燃烧室内的反应气体)发出的光量以及其他因素，如火焰的位置和光谱内容。

“发动机内火焰发出的光是由于燃烧过程中激发的分子种类的松弛所致，”博士生之一埃尔科维茨解释说。“不同的分子种类发出不同能量或颜色的光，提供了压力传感器无法捕捉到的有关发动机状态的新信息。”

该团队的风洞演示表明，发动机控制既具有预测性又具有自适应性，可以在超燃冲压发动机和冲压发动机功能之间平稳过渡。

事实上，风洞试验是世界上第一个证明利用光学传感器可以实现此类双功能发动机的自适应控制的试验。

“我们非常高兴能够展示光学传感器在未来高超音速飞行器控制中可能发挥的作用，”第一作者Chern说道。“我们将继续测试传感器配置，以打造出一款能够优化飞行环境包装体积和重量的原型。”

面向未来

尽管还有许多工作要做，但光学传感器可能是戈因认为他有生之年将实现的未来的一个组成部分：像飞机一样往返太空的旅行。

双模超燃冲压发动机仍然需要某种助推器才能使飞机的速度至少达到4马赫。但这样做还有额外的安全性，因为不完全依赖火箭技术需要携带高度易燃的燃料以及大量化学氧化剂来燃烧燃料。

减轻重量可以为乘客和有效载荷提供更多的空间。

这种一体式飞机可以像航天飞机一样滑翔返回地球，甚至可能提供成本效益、安全性和可重复使用性的理想组合。

“我认为是可能的，”戈因说。“虽然商业航天业已经能够通过一些可重复使用性来降低成本，但他们还没有掌握类似飞机的操作。我们的发现可能会以Hyper-X的传奇历史为基础，使其进入太空比目前的基于火箭的技术更安全。”