10马赫的革命：NASA支持的高超音速喷气机有望改变太空旅行方式

这是艺术家描绘的从助推火箭分离后自由飞行的 Hyper-X 研究飞行器在扰流喷气发动机驱动下的情景。对高超音速喷气机的新研究可能会改变太空旅行，使喷气发动机更加可靠和高效，从而制造出类似飞机的航天器。资料来源：美国国家航空航天局

如果未来的太空旅行不像 Space-X 的火箭星际飞船，而更像美国国家航空航天局的"Hyper-X"高超音速喷气式飞机（20 年前的今年，它的飞行速度超过了之前或之后的任何飞机），那会怎样呢？

2004 年，美国国家航空航天局的最后一次 X-43A 无人驾驶原型机测试是喷气式飞机最新发展时代的一个里程碑--从冲压式喷气式飞机到速度更快、效率更高的扰频式喷气式飞机的飞跃。同年 11 月进行的最后一次测试达到了此前只有火箭才能达到的世界纪录速度：10马赫。这个速度相当于音速的 10 倍。

美国国家航空航天局（NASA）从试验中获得了大量有用的数据，六年后，空军也对 X-51 Waverider 进行了类似的试验，最终原型机坠入大海。

虽然高超音速概念验证取得了成功，但该技术远未投入使用。挑战在于实现发动机控制，因为该技术是基于几十年前的传感器方法。

2004 年 11 月 16 日，NASA 的 B-52B 运载火箭巡航至太平洋上空的试验场，载着第三个也是最后一个 X-43A 运载火箭，与飞马座火箭相连。图片来源：NASA / Carla Thomas

不过，本月为 X 飞机系列的潜在后继者带来了一些希望。作为美国国家航空航天局（NASA）资助的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六月刊《航空航天科学与技术》（Aerospace Science and Technology）杂志上发表的数据首次表明，超音速燃烧喷气发动机中的气流可由光学传感器控制。这一发现可能会提高高超音速喷气式飞机的稳定效率。

此外，研究人员还实现了对扰流喷气发动机的自适应控制，这在高超音速推进领域也是首次。自适应发动机控制系统能对动态变化做出响应，使系统的整体性能保持在最佳状态。

弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任克里斯托弗-戈因（Christopher Goyne）教授说："自 20 世纪 60 年代以来，我们国家的航空航天优先事项之一就是制造单级入轨飞机，像传统飞机一样从水平起飞飞入太空，然后像传统飞机一样在地面降落。"目前，最先进的飞船是SpaceX星际飞船。它有两级，可以垂直发射和着陆。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是波音737这样的飞船。"

博士生马克斯-切尔恩（Max Chern）仔细观察风洞装置，弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员在该装置上演示了利用光学传感器控制双模式喷气发动机的可能性。图片来源：弗吉尼亚大学工程学院文德-惠特曼（Wende Whitman）

戈恩和他的共同研究员、弗吉尼亚大学工程系副教授克洛伊-戴迪克认为，光学传感器可以成为控制方程的重要组成部分。

戈恩说："我们认为，如果飞机以 5 马赫或更高的高超音速飞行，那么最好是在接近光速而不是音速的地方嵌入传感器，这似乎是合乎逻辑的。"

该团队的其他成员包括博士生马克斯-切恩（Max Chern）（他是论文的第一作者）、前研究生安德鲁-万切克（Andrew Wanchek）、博士生劳里-埃尔科维茨（Laurie Elkowitz）和弗吉尼亚大学资深科学家罗伯特-罗克韦尔（Robert Rockwell）。这项工作得到了普渡大学领导的美国宇航局ULI基金的支持。

长期以来，美国国家航空航天局（NASA）一直在努力防止喷气发动机中可能出现的"未启动"现象。该术语表示气流的突然变化。该名称源于一种被称为超音速风洞的专门测试设施，"启动"意味着风已达到所需的超音速条件。

弗吉尼亚大学拥有多个超音速风洞，其中包括弗吉尼亚大学超音速燃烧设施，该设施可以模拟以五倍音速飞行的高超音速飞行器的发动机工况。

Dedic 说："我们可以在测试条件下运行数小时，这样就可以在逼真的发动机几何形状上试验新的流量传感器和控制方法。"scramjets"是超音速燃烧冲压式喷气发动机的简称，它建立在已普遍使用多年的冲压式喷气发动机技术之上。

这张来自最初 Hyper-X 试验的计算流体力学图像显示了发动机以 7 马赫的速度运行。图片来源：美国国家航空航天局

冲压式喷气发动机主要是利用飞机的前行运动将空气"冲入"发动机，从而产生燃烧燃料所需的温度和压力。它们的工作范围约为 3 至 6 马赫。当飞机前部的进气口变窄时，冲压式喷气发动机的内部气流速度会减慢到亚音速。但飞机本身却不会。

不过，Scramjets 有一点不同。虽然它们也是"空气喷气式"发动机，并且具有相同的基本设置，但它们需要保持通过发动机的超快气流，以达到高超音速。

戈恩说："如果高超音速发动机内部发生了什么情况，突然产生了亚音速条件，那就是未启动。推力会突然减小，此时可能很难重新启动进气口。"

目前，与冲压式喷气发动机一样，scramjet 发动机也需要一个升压装置，才能使其达到能够吸入足够氧气的速度。这可能包括安装在舰载机底部的装置以及火箭助推器。

最新的创新是双模式冲压喷气燃烧器，这也是弗吉尼亚大学领导的项目所测试的发动机类型。这种双引擎在较低马赫数时以冲压喷气模式启动，然后在速度超过 5 马赫时转为在燃烧室中接收全超音速气流。

防止发动机在过渡过程中发生非启动是至关重要的。

弗吉尼亚大学教授兼航空航天研究实验室主任克里斯托弗-戈因（Christopher Goyne）和副教授克洛伊-戴迪克（Chloe Dedic）。资料来源：弗吉尼亚大学工程学院 Wende Whitman

来风与进气道壁相互作用，形成一系列冲击波，称为"冲击波束"。传统上，这些冲击波的前缘会对飞机的完整性造成破坏，因此一直由压力传感器控制。例如，机器可以通过重新定位冲击波的位置来进行调整。

但是，如果飞行干扰改变了中空动态，减震器前  缘的位置就会迅速发生变化。减震器组可能会对进气口增压，从而为非启动创造条件。

因此，"如果你以音速进行传感，而发动机过程的速度却比音速还快，没有太多的响应时间，"Goyne 说。

他和       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非启动。

研究小组决定使用光学发射光谱传感器来提供控制减震器前缘所需的反馈。 

光学传感器不再像压力传感器那样仅限于在发动机壁上获取信息，它可以识别发动机内部和流道内的细微变化。该工具可分析光源（在本例中为喷射燃烧器内的反应气体）发出的光量以及火焰位置和光谱含量等其他因素。

  博士生之一埃尔科维茨解释说："发动机内火焰发出的光是由于在燃烧过程中被激发的分子物种弛豫所致。"不同的物种会发出不同能量或颜色的光，从而提供压力传感器无法捕捉到的有关发动机状态的新信息"。

弗吉尼亚大学工程系机械与航空航天专业的在读博士生劳里-埃尔科维茨（Laurie Elkowitz）和马克斯-陈（Max Chern）是该团队中具有影响力的成员。资料来源：弗吉尼亚大学工程学 Wende Whitman

研究小组的风洞演示表明，发动机控制既可以预测，也可以自适应，可以在scramjet和ramjet功能之间平稳过渡。

事实上，风洞试验在世界上首次证明，利用光学传感器可以实现这类双功能发动机的自适应控制。

第一作者 Chern 说："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。我们将继续测试传感器的配置，努力开发出一种能在飞行环境中优化封装体积和重量的原型机。"

虽然还有很多工作要做，但光学传感器可能是戈恩认为在他有生之年就能实现的未来的一个组成部分：像飞机一样往返太空。

双模式扰流喷气式飞机仍然需要某种助推装置，才能使飞机达到至少 4 马赫的速度。但火箭技术需要携带高度易燃的燃料和大量的化学氧化剂来燃烧燃料，而双模式扰流喷气式发动机则不需要完全依赖火箭技术，因此具有额外的安全性。

重量的减轻将为乘客和有效载荷提供更大的空间。

这种一体化飞机可以像航天飞机一样滑翔返回地球，甚至可以实现成本效益、安全性和可重复使用性的理想结合。

"我认为这是可能的，是的，"戈恩说。"虽然商业航天产业已经通过一些可重复使用性降低了成本，但他们还没有掌握类似飞机的操作。我们的发现有可能在Hyper-X的传奇历史基础上更进一步，使其进入太空比目前的火箭技术更安全。"

编译自/Xxxxscitechdaily.