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TDLAS技術(shù)助力新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展
近日，我國(guó)出臺(tái)外交政策，制裁美國(guó)著名軍火公司洛克希德·馬丁公司。作為研發(fā)生產(chǎn)F-22、F-35、F-16等著名戰(zhàn)斗機(jī)的軍火商，洛克希德·馬丁這家公司強(qiáng)在哪里？到底有什么*值得學(xué)習(xí)？今天，小編帶大家來(lái)扒一扒洛馬公司的航空發(fā)動(dòng)機(jī)黑科技，其中，當(dāng)然少不了TDLAS的身影。
關(guān)于美軍的“黑鳥(niǎo)之子”SR-72超音速飛機(jī)（注：著名的黑鳥(niǎo)間諜機(jī)代號(hào)SR-71的后續(xù)機(jī)型）的報(bào)道可追溯至2007年，當(dāng)時(shí)有未經(jīng)證實(shí)的消息透露，洛克希德·馬丁公司正在為美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)一種能夠以六倍音速或6馬赫（6,400公里/小時(shí)）的速度飛行的飛機(jī)。洛克希德·馬丁的臭鼬工廠針對(duì)SR-72的開(kāi)發(fā)工作于2013年11月1日由《航空周刊》和《太空技術(shù)》*發(fā)表。消息爆出后，公眾對(duì)此的關(guān)注程度，瞬間癱瘓了《航空周刊》的服務(wù)器。
SR-71與SR-72對(duì)比介紹。圖源：《航空周刊》
洛馬公司的SR-72超音速（無(wú)人）戰(zhàn)斗機(jī)是SR-71（代號(hào)“黑鳥(niǎo)”）間諜機(jī)的后續(xù)機(jī)型。采用混合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，共享進(jìn)氣和尾氣涵道，通過(guò)導(dǎo)流板決定空氣流動(dòng)路徑，起飛后渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)將速度提升至3馬赫（注：1馬赫=1倍音速）后，導(dǎo)流板切換，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，可將飛機(jī)時(shí)速提升至6馬赫。
SR-72采用的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，依靠燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生推力。與常規(guī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相似，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)攜帶燃料，并通過(guò)大氣中的氧氣作為氧化劑（這一點(diǎn)與運(yùn)載燃料和氧化劑的火箭不同）。該要求將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)限制在地球亞軌道的大氣推進(jìn)作用下，此時(shí)空氣中的氧氣含量足以維持燃燒。
超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由三個(gè)基本組成部分組成：匯合的進(jìn)氣口，用于壓縮進(jìn)入涵道的空氣；燃燒室，氣體燃料與大氣中的氧氣燃燒產(chǎn)生熱量；以及發(fā)散噴嘴，加熱的空氣在發(fā)散噴嘴做功加速，產(chǎn)生推力。與典型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（例如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)）不同，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不使用旋轉(zhuǎn)的，類似風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子來(lái)壓縮空氣。相反，飛機(jī)在大氣中可達(dá)到的速度導(dǎo)致空氣在進(jìn)氣口內(nèi)被壓縮。這樣，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中不需要運(yùn)動(dòng)部件。相比之下，典型的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要多級(jí)旋轉(zhuǎn)的壓縮轉(zhuǎn)子和多級(jí)旋轉(zhuǎn)渦輪，所有這些都增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，復(fù)雜度和更多的故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。
噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的老中青三代（a）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；（b）沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；（c）超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。（圖源：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
由于其設(shè)計(jì)的性質(zhì)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作僅限于超音速速度。由于缺少機(jī)械壓縮部件，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要高超音速流的高動(dòng)能，才能將進(jìn)入的空氣壓縮到工況狀態(tài)。因此，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛行器，必須先通過(guò)其他推進(jìn)方式如渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，軌道炮或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速至所需的工況速度（通常約為4馬赫）。在由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的波音X-51A的飛行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試機(jī)被波音B-52“同溫層堡壘”提升至飛行高度，然后被可分離的火箭釋放并加速至4.5馬赫。2013年5月，另一次測(cè)試的飛行速度提高到了5.1馬赫。
自1950年代以來(lái)，超燃沖壓技術(shù)一直在發(fā)展，但直到近，超燃沖壓技術(shù)才成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力飛行。盡管超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在概念上很簡(jiǎn)單，但實(shí)際的實(shí)施受到很多技術(shù)的挑戰(zhàn)和限制。大氣中的超音速飛行，會(huì)產(chǎn)生巨大的阻力，并且機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度可能遠(yuǎn)高于環(huán)境空氣的溫度。除了這些其他的超音速發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)遭遇的挑戰(zhàn)外，超燃沖壓大的挑戰(zhàn)來(lái)自于維持高超音速燃燒（Hypersonic Combustion），即需要掌握必須在幾毫秒內(nèi)噴射，混合，點(diǎn)燃和維持穩(wěn)定高超音速燃燒的技術(shù)。
SR-72亞軌道飛行概念圖
（圖源：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
TDLAS技術(shù)，在高超音速航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)及飛控過(guò)程中，起到了舉足輕重的作用。TDLAS為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試，模型驗(yàn)證，反饋控制提供了一種高時(shí)間分辨，多參數(shù)，多位置，高溫高壓環(huán)境下仍然可靠工作的非接觸式測(cè)量手段。可以有效克服燃燒前、過(guò)程中、燃燒后的溫度、壓力、流場(chǎng)變化的影響，獲得穩(wěn)定可靠的燃燒狀態(tài)信息。例如，美國(guó)斯坦福大學(xué)針對(duì)溫度，流速，H2O，CO2，O2和其他燃燒組分開(kāi)發(fā)的TDLAS傳感器，已經(jīng)成功經(jīng)過(guò)地面測(cè)試和原型驗(yàn)證，并于2012年完成機(jī)載測(cè)試。
基于光纖TDLAS技術(shù)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
（圖源：來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
典型案例
用于機(jī)載的TDLAS發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析模組（圖源：美國(guó)空軍）
2008年，俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地-AFRL科學(xué)家正在與行業(yè)合作伙伴Southwest Sciences，Inc.合作，為基于TDLAS的測(cè)量平臺(tái)的*飛行測(cè)試做準(zhǔn)備。該測(cè)試是高超音速飛行研究與實(shí)驗(yàn)（HIFiRE）計(jì)劃的一部分，并得到了美國(guó)空軍小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）以及美國(guó)國(guó)防部的支持。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)基于激光技術(shù)和定制的數(shù)字電子信號(hào)處理設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整和小型化，以便于開(kāi)發(fā)采用可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）的*機(jī)載測(cè)量平臺(tái)。
TDLAS平臺(tái)提供了一種全新的方法，來(lái)測(cè)量飛行中的發(fā)動(dòng)機(jī)流路內(nèi)的燃燒氣體分子種類和速度。為了從飛行實(shí)驗(yàn)中獲得大的信息，該方法采用了一種稱之為波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的高敏感測(cè)量技術(shù)以及數(shù)千赫茲的采樣率。這項(xiàng)努力標(biāo)志著該技術(shù)*進(jìn)行了小型化，以適合于探測(cè)火箭飛行實(shí)驗(yàn)的規(guī)模使用，其中儀器的質(zhì)量和功率要求分別為2kg和2W。
HIFiRE代表了美國(guó)與澳大利亞達(dá)成的一項(xiàng)為期7年的雙邊協(xié)議，以進(jìn)行超高音速航空航天技術(shù)的基礎(chǔ)探索和開(kāi)發(fā)研究。計(jì)劃在HIFiRE探空火箭的三個(gè)飛行中進(jìn)行TDLAS實(shí)驗(yàn)。這些活動(dòng)將專注于開(kāi)發(fā)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量核心流特性的新型的，適用于飛行器的非侵入式光譜分析技術(shù)，以表征關(guān)鍵的載具/發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，如入口空氣通量的捕獲，穩(wěn)定性極限和超音速燃燒過(guò)程。
專家們已證明了TDLAS飛行測(cè)量硬件可以在未有的溫度和振動(dòng)條件下正常運(yùn)行。*飛行于2008年進(jìn)行，目標(biāo)是使TDLAS實(shí)驗(yàn)從技術(shù)準(zhǔn)備水平TRL2（即技術(shù)概念和/或應(yīng)用形成階段）過(guò)渡到TRL4（即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)組件和/或光學(xué)面包板級(jí)的模組進(jìn)行驗(yàn)證）。后續(xù)分別在2009年和2010年再進(jìn)行兩次飛行。該團(tuán)隊(duì)希望TDLAS測(cè)量平臺(tái)將在HIFiRE的終8馬赫的超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)飛行演習(xí)中達(dá)到TRL6狀態(tài)（即在相關(guān)環(huán)境，地面或太空中的系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型演示）。