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来自 科技知识 2019-12-22 11:56 的文章
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Dayton大学获得5亿美元合成燃料研究资助澳门十大

[据美国《AINonline网站》2009年12月24日报道]Dayton大学研究所.获得近5亿美元来自美国空军的6年期研究拨款,用于发展先进的燃料和燃烧技术。这份资助是接续去年美国空军研究实验室的一份1000万美元的合同,用于设计和运营靠近Wright-Patterson空军基地,新建的航空航天燃料研究实验室(Assured Aerospace Fuels Research Laboratory)。

  目前,美国的弹载高功率微波战斗部技术和战术飞机机载激光武器技术正在取得突破。以下面的两张图为例,上图为2012年10月,采用高功率微波战斗部的AGM-86C空射巡航导弹正在被装入B-52H轰炸机内埋弹舱中的“通用战略武器旋转发射装置”。下图为DARPA的“高能液体激光区域防御系统”(HELLADS)项目成果配装轰炸机和战斗机,用于拦截导弹的想象图。HELLADS发射功率为150千瓦,目标质量为758千克,功率密度达到5千克/千瓦的极高水平。该样机已从2015年夏季开始在新墨西哥州的白沙导弹试验场进行试验,但此后再未公布任何进展。

超燃冲压发动机具有非常好的军用和航天发射应用前景,可作为未来太空飞行器、全球到达和快速响应、远程无人驾驶和有人驾驶军用系统的动力。超燃冲压发动机的远期用途包括可大大降低太空飞行器发射成本,并可像飞机一样工作的飞行器动力。也包括可在几小时内到达全球各地的军民用飞机以及可在几分钟内能以M6.5以上的速度飞行数百海里的高超声速巡航导弹。目前,美国空军正在继续发展这项技术,目标是巡航导弹或可重复使用的高超声速军用飞行器动力。最近,美国空军制定了"鲁棒的超燃冲压发动机"计划和超燃冲压发动机技术的验证计划。1、"鲁棒的超燃冲压发动机"计划目前,美国空军研究实验室的科学家和工程师们正在通过"鲁棒的超燃冲压发动机"计划发展比现有地面试验验证机尺寸大10倍的超燃冲压发动机所需的技术。该计划的目标是希望发展适用性更好、转换M数更低和运行速度更快的尺寸更大的发动机。并且,空军还希望这种发动机的使用寿命更长并且油门可调性更好和可重复使用。该计划从去年秋季开始,将通过6~7年的时间发展推进系统样机,该样机将有可能发展为高超声速攻击机或侦察飞行器用的发动机。大型超燃冲压发动机也将用于2级入轨发射系统第一级的动力。2、"超燃冲压发动机验证机"计划2004年初,美国空军开始实施超燃冲压发动机验证机计划。普·惠公司/波音公司"幻影"工作组联合小组获得美国空军研究实验室的合同,将对吸热燃料的超燃冲压发动机飞行验证机进行试验,将要试验的超燃冲压发动机验证机又称"乘波飞行器"。预计,普·惠/波音联合工作小组将从2007年到2008年开始通过多项飞行试验,研究超燃冲压发动机吸气系统级的潜力。该飞行器在由B-52飞机携带到9.1~12.16km的高度发射后,由一个ATACMS助推器加速到M4.5的转换速度,然后,超燃冲压发动机可能以M6.5~7的速度工作数分钟,最后坠入太平洋。普·惠公司用于飞行试验的发动机将采用碳氢燃料超燃冲压发动机技术计划发展的技术。投资1.8亿美元的超燃冲压发动机验证机计划的部分经费来自国防高级研究计划局,该计划最终可能进行5到10次以二维、碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的乘波飞行器的飞行试验。预计,首次飞行试验最早在2008年秋季进行。目前,美国普·惠公司正在制造为保证飞行试验顺利进行的首台地面试验用的发动机。名为SJX61-1的该发动机是早期GDE-1的改进,SJX61-1将在2005财年在美国空军阿诺德工程发展中心进行试验。SJX61-1将是一台具有飞行重量的超燃冲压发动机,该发动机将以来自机载热交换器的燃油为燃料,并用热燃气阀门将其引入发动机的燃烧室。整个过程将用一个全权数字电子发动机控制装置,该装置由燃气涡轮发动机上的产品改进而来。SJX-1还可能在M4.5~5时开始用于验证该发动机的起动过程。目前,AEDC的工厂有能调节M5到M7.1试验速度的喷嘴,现在,AFRL正与AEDC一起工作,生产可满足M5和M6试验速度要求的喷嘴。AFRL正在与AEDC和普·惠公司合作决定多大的M数最适合进行飞行试验。支持SED工作的第2台地面试验发动机SJX61-2将于2006财年生产出来,并将进行减少与飞行试验有关风险的研究。该发动机还将被用于研究在SJX61-2试验项目中可能突然出现的所有问题。降低SED飞行试验的风险是美国空军推进专家们最大的愿望,而且,目前AFRL已经有一个强大的目的在于降低SED飞行试验风险的计划在进行中。另外,SED风险减少工作正在为"鲁棒的超燃冲压发动机"计划提供帮助,并且正在用于给工程师们将超燃冲压发动机扩展到联合循环的用途打下科学的基础。3、正在研究的技术领域 点火最早,2维超燃冲压发动机用硅烷点火,但是这种材料在燃烧时产生一种固体物质,沉积在设备中。后来,研究人员发现可以采用乙烯,再后来又发现JP-7可以用于超燃冲压发动机的点火燃料。但是,主要用于产生高温可燃气体的燃气发生器也有可能被替代。美国空军将决定能否采用体积较大的乙烯瓶或SED起动系统用的燃气发生器。这很大程度上依靠设计人员把飞行器的航程和超燃冲压发动机的燃烧时间看得多重要。火焰保持器研究人员在工作中进行了标准和并行的设计。如果SJX61-1工作的好,将保持现有的设计不变,但是,如果性能比预想的差,将用SJX61-2做替代。热平衡在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中,燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡,使发动机携带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非常重要的。但是,在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下,冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量,这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样,热的多余燃料必然堆积在发动机的某处,这将有可能使飞行器的航程受影响。替代的方案是在更低的速度下飞行,以减少达到正确热平衡的热负荷。燃料的喷射在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下,出于结构上的考虑,发动机的流路可能是圆形的或椭圆形的。这将加剧燃料进入燃烧流的问题。解决这个问题的方案是采用在第一级喷射器后有第二级喷射器的串联喷射器,或者采用带冷却的挂架或支柱。但是,由于这些结构有非常高的热负荷,因此也带来了其他一些问题。目前,AFRL推进部正在与材料部和DARPA一起工作研究基于陶瓷的带燃油冷却的结构。明年年底将有可能完成这项工作。火焰特性描述研究人员已经在实验室条件下利用非干涉的基于光学的诊断技术在一台运行的超燃冲压发动机种确定了火焰的实际位置以及在核心流中发生的燃烧反应。这些设备用于飞行系统上是有可能的--甚至有可能用于燃气涡轮发动机上。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 胡晓煜)

新计划的关键是发展、验证和外场测试合成燃料,包括来自各种原料的生物燃料。部分研究是要发展经过专门配制能够增加温度范围的燃料,使发动机的工作温度更高,同时效率更高而产生的积碳更少,或者是在高空有更大的抗冻性。

澳门十大网上博网址 1  上图为采用高功率微波战斗部的AGM-86C空射巡航导弹;下图为DARPA的“高能液体激光区域防御系统”(HELLADS)

UDRI有关能源和环境分部和燃料与燃烧中心的负责人表示:“对于21世纪军用和商用飞机而言,在航空航天推进系统方面保持领先关键是要在燃料和燃烧技术方面保持领先。我们的要做的是设计新的和改进已有的技术,它将不仅满足飞机系统发展的需要,还将减少对环境造成的影响。”

  二是自主性(Autonomy)。自主性事关人类在所有领域的能力的提升,从空域管理到空中主宰,航空会变得更加安全、经济上更为可承受,并且支撑新的使命和市场需求。

  DARPA正在实施“从原子到产品”(A2P)项目,其目标是开发装配尺寸接近原子的纳米级工件的技术和工艺,装配形成至少毫米级尺寸的系统、零件或材料。DARPA认为,许多常见材料在纳米级制造时会展示出独特和很不寻常物理性能,这些原子级性能具有重要的国防应用潜能,包括量子化的电流-电压特性、极大降低熔点并具有极高的比热。现在面临的挑战是,如何在较大尺寸的产品级(一般几厘米)器件和系统上保持这种原子级材料的特性。

  七是定向能(Directed Energy)。精确制导武器曾在冷战时期赋予美国抵消苏联数量优势的能力,并使美军能够在反恐战争中实施外科手术式的打击。但是,它们已变成了普遍事物。现在,在美国看来,其潜在对手不仅数量庞大,而且装备精良。美国需要定向能武器的精确性和近乎无限的“储弹量”,这种武器正在走出实验室,进行作战评估和早期部署。

  由下图可见,美国空军计划在2020年实现机器辅助的作战行动,压缩杀伤链时间,实现防御性系统管理员自主识别威胁并给出行动建议,情报分析系统融合情报数据并向人类分析员提示威胁。2030年后,将实现对平台作战行动的优化,确保其可在“反介入/区域拒止”环境中连续执行任务。

澳门十大网上博网址 2“100G”项目示意图

  现在,美国国防部正在制定第三个国家级推进技术计划——“支撑经济可承受及任务能力的先进涡轮发动机技术”(ATTAM)计划,该计划的制定工作由美国空军研究实验室(AFRL)牵头,已进行了一年时间,将首次包括彻底集成动力与热管理系统的内容,最早将在2017年启动。

澳门十大网上博网址 3美国洛马公司SR-72高超声速飞机想象图

澳门十大网上博网址 4  A2P项目重点关注装配,其次是纳米级独特性的开发。通过A2P项目形成的系统、零件或材料将通过纳米级装配实现独特的材料性能、小型化、3D结构和异质(材料和几何形状)

  三是连通性(Connectivity)。无论是在商业领域还是战争领域,任何有关有人和无人系统一起无缝工作的愿景,都需要可以与其他海量用户安全、保密和高效分享频谱的网络。但是频谱是有限且宝贵的资源,而且美国的竞争对手们也可竞争并利用。因此,美国认为需要开发诸如激光通信或太赫兹等新频谱的技术,以及能够动态地分享空中波谱的技术。

  据澎湃新闻9月16日报道,2016年8月26日,美国《航空周刊与空间技术》选出了下一任美国总统必须关注的九大航空航天技术领域,指出美国在这9个领域的技术必须领先于各个竞争者,并确保航空飞行仍是经济上可承受且又能获利的,工业界能继续赢得出口并创造工作岗位。那么,这9个航空航天技术领域分别是什么呢?

  一是高超声速(Hypersonics)。隐身已经使美国领先于其同等对手,而速度将使美国继续保持领先地位。美国已在高超声速领域花费了数十亿美元,但却让中国和俄罗斯追上来了。因此,美国将启动作战型吸气式高超声速导弹发展,并以一个稳健的后续规划,发展可重复使用的高超声速(速度马赫数5 )情监侦与打击飞机所需的技术。

澳门十大网上博网址 5参与XS-1项目的各企业提出3种方案想象图

  九是颠覆(Disruption)。在美国人看来,人类虽不能预测未来,但可以为未来做好准备。颠覆性技术和服务是一个威胁,对于现存的行业如航空是如此,对于固定的用户们和规则制定方(如联邦航空局和国防部)也是如此。如果美国的航空航天能力要继续茁壮成长,就必须在企业和政府的官僚体系之间建立桥梁。

  六是材料(Materials)。Dayton大学获得5亿美元合成燃料研究资助澳门十大网上博网址。先进制造技术并不仅止于3D打印。从铝到钛,再到碳纤维,新材料已经点燃了航空航天领域革命的火种。美国希望领导下一场革命,不管它是源自由纳米增强的复合材料、在原子尺度装配的新合金、生物工程学材料还是生物启发的结构。通过推进计算和建模来支撑更快的新材料认证也是关键。

澳门十大网上博网址 6  美国洛马公司“混合翼身”(HWB)布局战略运输机想象图(上图)及该机采用空中加油配置、利用翼下吊舱实现双点伸缩套管(硬式)加油的想象图(下图)

澳门十大网上博网址 7Dayton大学获得5亿美元合成燃料研究资助澳门十大网上博网址。美国空军研究实验室(AFRL)在2014年11月公布的自主性路线图

  2016年2月,该布局4%的缩比模型在美国航空航天局兰利研究中心的国家跨声速风洞中进行了风洞试验。按计划,2016年秋季,该公司将完成有人驾驶的HWB演示验证机的研究与分析工作。RCEE项目将在2017年结束,但美国航空航天局已将HWB布局验证机与波音公司的“翼身融合体”(BWB)布局验证机视为其下一个X飞机的竞争方案

澳门十大网上博网址 8  上图为美国空军研究实验室对VAATE计划的简要说明,下图为该实验室准备在美国航空航天局(NASA)推进系统实验室的高空台上,利用一台F110涡扇发动机进行强行抽取兆瓦级功率的试验

Dayton大学获得5亿美元合成燃料研究资助澳门十大网上博网址。  四是推进(Propulsion)。对涡轮发动机技术持续的投资已使美国保持对竞争对手们的领先,新的高燃料效率商用涡扇发动机正在投入使用,而军用的通用自适应循环发动机正在发展之中。但是,民用发动机还需要更高的效率。军用动力装置也需要更好的经济可承受性和更强的能力。发动机为飞机赋能,但是它的技术发展需要数十年,因此要保持投资。

  五是高效率(Efficiency)。为了降低油耗或排放,航空运输领域对提升效率的要求不会减少,对发动机而言将是“没有最好,只有更好”。美国航空航天局(NASA)会继续投入资金,与工业界一起发展可使美国保持领先的X飞机。

  DARPA正在通过“实验性太空飞机”(XS-1)项目发展可重复使用助推飞行器,目标是验证可重复使用助推飞行器能够在10天内完成10次飞行,同时将一个重900磅(约400千克)的试验载荷送入轨道。DARPA还期望未来可以通过换装更大型的一次性上面级来发射3000磅左右(约1400千克左右)的轨道载荷,并将这种载荷的单次发射成本控制在500万美元(包括可重复使用助推飞行器和一次性上面级的费用)。

  美国已实施了两个国家级推进技术计划。第一个是1987年启动的“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)计划,其目标是将推重比提升一倍,其成果支撑了F-22战斗机的F119和F-35战斗机的F135发动机。第二个是2005年启动的“通用经济可承受先进涡轮发动机”(VAATE)计划,计划将发动机的经济可承受性提高10倍,将大型涡扇/涡喷发动机的推重比提高100%,燃料消耗降低25%,发动机的发展、采购和寿命周期维护费用降低60%,并计划在2019年完成。

  八是可复用性(Reusability)。美国的经济和安全高度依赖用于通信、导航与授时、监视、广播、气象预报、资源监测的卫星,但建造并发射航天器仍是漫长且昂贵的过程,并且在轨的卫星也是潜在的脆弱资产。美国必须推动相关技术的发展,实现以快速响应、完全可复用性的方式日常化地进入空间。

  美军正在实施多个与连通性相关的科研项目,其重点是在对抗环境下实现组网通信及高速通信。以美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)的“100G”项目为例,它旨在利用对毫米波信号的高阶调制和空间复用实现100吉比特每秒的传输速率。

  洛马公司在AFRL的“高能量效率的革命性布局”(RCEE)项目中发展了“混合翼身”(HWB)布局的战略运输机。按照该公司的设计,该机除采用具有很高空气动力效率的布局之外,还拟配装超高涵道比涡扇发动机,可运载美国空军当前使用C-5战略运输机才能运送的超大型货物,并且耗油率比C-17战略战术运输机可降低多达70%。

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