“惊雷”导弹在阅兵式上的惊鸿一瞥与“青河材料”t40碳纤维的国之重器地位确立,让陈默团队的声望达到了新的高峰。然而,在哈工大深处一间挂满高速流体图谱和发动机结构图的实验室内,气氛却凝重而专注。这里没有庆功的喧嚣,只有高速风洞低沉的轰鸣和电脑屏幕上疯狂跳动的数据流。
陈默(陈工)、王浩、动力研究所的资深专家秦总工,以及几位眼神锐利的年轻博士生,正围着一份刚出炉的风洞试验报告,眉头紧锁。报告封面赫然印着:“‘巡风’超燃冲压发动机原理验证机 - 首次自由射流试验结果分析”。
“秦总,数据还是不对。”一个博士生指着屏幕上的压力曲线,“进气道捕获的流量比设计值低了15%,燃烧室压力震荡剧烈,燃烧效率…只有理论值的40%出头。这推力…远达不到预期。”
秦总工,一位在航空发动机领域耕耘了三十年的老将,叹了口气:“超燃冲压(Scramjet),理论速度上限是高,可这‘超音速燃烧’四个字,就是横在眼前的天堑啊!气流速度超过音速,混合、点火、稳定燃烧,哪一项不是地狱难度?”
王浩揉了揉太阳穴,看向陈默:“小陈,你当年那个‘马赫环’小模型,喷得挺欢实,激波也看得清清楚楚。怎么放大了,按流体力学教科书设计,反倒不灵了?”
陈默的目光落在实验室角落一个玻璃罩里。里面静静躺着他小学时用罐头盒和铜管做的“马赫环”喷射模型,简陋却带着一种原始的冲击力。他走过去,轻轻拂去玻璃上的微尘。
“王工,秦总,问题可能就出在‘教科书’上。”陈默的声音平静而清晰,“教科书追求的是理想、均匀、稳定的超音速流场。但现实,尤其是我们这种立足现有工业水平、追求低成本实用化的‘土路子’,面对的流场是复杂、不均匀、充满扰动的!就像…”他指了指模型,“我这个‘土炮’喷出来的气流,它不‘乖’,但它能形成激波,能‘抓住’能量!”
他调出当年拍摄的“马赫环”高速摄影照片,指着那清晰可见的钻石形激波链:“看,激波在这里不是敌人,而是能量转化的关键节点! 它压缩空气,提高温度和压力,为燃烧创造条件。我们现在的设计,太想把激波‘熨平’了,反而可能扼杀了它在非理想流场中‘变废为宝’的潜力!
“巡风”项目,正是“地火重生”计划中,对应童年“马赫环”喷射模型的转化核心。目标并非一步登天实现6马赫以上的高超音速,而是务实地瞄准ma 4-5 区间(高超声速),验证超燃冲压发动机在相对“低速”下的工程可行性,为下一代反舰\/对地导弹、乃至未来高速侦察\/打击平台提供一种比火箭动力更高效、比涡轮冲压适用范围更广的新型动力选择。核心要求:结构相对简单、成本可控、可工程实现。
攻坚方向:拥抱“非理想”,利用激波!
基于陈默对“马赫环”本质的洞察,团队调整了思路:
1. “驯服”而非“消除”激波: 不再追求完美的均匀流场,而是主动设计进气道和燃烧室形状,引导关键位置产生可控的、有利的激波,利用激波压缩效应来提升气流参数,促进燃料混合和燃烧稳定。
2. 燃料喷射与混合的“土味”智慧: 超音速气流中,液态燃料像往台风里撒沙子,难以混合均匀。借鉴“马赫环”模型中燃料(当时是挥发性液体)从激波后低压区注入的经验,将燃料喷嘴布置在进气道产生的关键斜激波后方低压区,利用激波后的流速降低和湍流增强,促进燃料雾化、蒸发和初步混合。
3. “扰动”点火与火焰稳定: 放弃在超音速主流中直接点火的幻想。在燃烧室前端设计一个凹腔稳定器,形成相对低速的回流区,在此处进行可靠的点火(火花塞或小剂量固体火药)。利用凹腔产生的高温燃气和湍流作为“火种”,逐步引燃整个超音速主气流。灵感来源: 陈默联想到“脉冲炮”里爆震波的传播,也需要一个初始的“扰动”来触发。
“激波雕刻师”——进气道优化:
挑战: 设计能产生特定强度、特定位置斜激波的进气道,并保证在宽马赫数范围(ma 3-5)内有效工作。
“土味”起点: 团队没有昂贵的高精度流体仿真软件(当时稀缺)。陈默提出用水槽模拟(hydraulic Analogy) 进行初步探索!利用水流模拟气流,通过观察水中激波(水跃)的形态来直观调整进气道压缩楔角度和形状。效果: 快速筛选出几种有潜力的构型。
风洞验证(低速\/亚跨音速): 在常规低速风洞中,对缩比模型进行吹风试验,验证进气道基本流动特性(激波位置、总压恢复系数)。调整压缩面角度和唇口形状,优化激波系。
遭遇难题: 设计工况(ma 4)的激波位置理想,但在较低马赫数(ma 3)时,激波可能脱体,造成进气不畅;在较高马赫数(ma 5)时,激波可能过于贴近唇口,导致启动困难或热负荷过大。秦总工:“这激波像匹野马,不同速度下脾气不一样!”
“台风中播种”——燃料喷射与混合:
挑战: 在超音速气流中实现燃料的有效喷射、雾化、蒸发并与空气快速混合。
“土味”方案:
位置选择: 严格将喷嘴布置在进气道关键斜激波后的低压、低(相对)速、高湍流度区域。
喷嘴创新: 采用气动辅助雾化喷嘴。利用一部分高压空气(从进气道引气)冲击燃料液柱,将其撕碎成更细小的雾滴。比纯机械雾化更适应高速流场。
燃料选择: 选用高挥发性、高能量密度的碳氢燃料(如Jp-10),易于在高速气流中蒸发。
冷态混合试验(无燃烧): 在高速风洞中,注入示踪粒子(或可蒸发液体),利用激光片光源和高高速摄影,观察燃料在超音速流场中的分布情况。
结果喜忧参半: 在激波后区域,确实观测到较好的雾化和初步混合。但混合均匀度仍不够理想,部分区域燃料过浓,部分过稀。王浩:“撒是撒下去了,但撒得不够匀,点着了也烧不好!”