美国科学家利用光技术控制高超音速喷气发动机

       据interestingengineering网站7月29日报道，一项新的由美国国家航空航天局（NASA）资助的研究首次揭示，通过光学传感器可以控制超音速燃烧喷气发动机中的气流。这项研究由弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员完成。

        当“激波列”出现时，该研究能让操作人员以光速控制气流。“激波列”是超燃冲压发动机发生故障前的一种状况。

        此前的方法依靠压力传感器监测通过超音速燃烧喷气发动机的气流，而这一新的突破使得使用光学传感器就能实现同样的操作。

        NASA资助的研究

        2004 年，NASA 的高超音速喷气式飞机“Hyper-X”创造了飞行速度比其他任何飞机都快的纪录。

        在 2004 年 11 月举行的最后一次测试中，最终的 X-43A 无人驾驶原型机创造了世界纪录，时速达到了 10 马赫，即音速的 10 倍。在此之前，这种速度只有火箭才能达到。

        这一突破促使喷气式飞机发展发生重大转变，从冲压喷气发动机跃升至更高效的超燃冲压发动机。尽管高超音速概念验证取得了成功，但主要挑战在于实现发动机控制，因为该技术依赖于旧的传感器方法。

       然而，弗吉尼亚大学的这一新突破为未来能够以高超音速飞行的 X 系列飞机带来了一些希望。

       除了表明通过光学传感器可以控制超音速燃烧喷气发动机中的气流外，这项由 NASA 资助的研究还实现了对超燃冲压发动机的自适应控制。

       研究人员表示，自适应发动机控制系统能够对动态变化做出响应，以保持系统的整体性能最优。

       弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任克里斯托弗·戈因教授表示，自 20 世纪 60 年代以来，美国航空航天的重点一直是建造能够像传统飞机一样从水平起飞进入太空，并像传统飞机一样在地面着陆的单级入轨飞机。

       戈因说：“目前，最先进的飞行器是SpaceX的星际飞船。它有两级，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 那样的飞行器。”

       光学传感器对高超音速飞机至关重要

       戈因说：“对我们来说，如果飞机以 5 马赫及更高的高超音速运行，嵌入工作速度更接近光速而非音速的传感器似乎是合乎逻辑的。”

       弗吉尼亚大学拥有多个超音速风洞，可以模拟高超音速飞行器以 5 倍音速飞行时的发动机状况。

       戈因解释说，“超燃冲压发动机”是“超音速燃烧冲压发动机”的简称，是在多年来常用的冲压发动机技术基础上发展起来的。

       目前，与冲压发动机一样，超燃冲压发动机需要提升速度才能摄入足够的氧气来运行。

       最新的创新是双模式超燃冲压发动机燃烧室，这也是弗吉尼亚大学领导的项目所测试的发动机类型。这种双模式发动机在较低马赫数下以冲压模式启动，然后在超过 5 马赫的速度下在燃烧室内转变为接收全超音速气流。

       与压力传感器只能在发动机壁获取信息不同，光学传感器能够识别发动机内部和流道内的细微变化。

       该工具分析光源（在这种情况下是超燃冲压发动机燃烧室内的反应气体）发出的光量以及火焰位置和光谱含量等其他因素。

       首次实现自适应控制的证明

       据弗吉尼亚大学的一份新闻稿称，风洞演示表明发动机控制可以是预测性和自适应的，能够在超燃冲压和冲压功能之间平稳过渡。

       该新闻稿指出，实际上，这次风洞测试是世界上首次证明在这类双功能发动机中可以通过光学传感器实现自适应控制。

       该团队认为，光学传感器可能是未来往返太空的类似飞机旅行的一个组成部分。

       这可能有助于制造一种像航天飞机曾经那样能够滑翔返回地球的一体化飞机。

       戈因说：“我认为这是有可能的。虽然商业航天业通过一些可重复使用性降低了成本，但他们尚未实现类似飞机的操作。我们的发现有可能在 Hyper-X 的辉煌历史基础上，使太空访问比目前基于火箭的技术更安全。”

来源：两机动力控制