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TDLAS技術助力新一代航空發(fā)動機發(fā)展
近日，我國出臺外交政策，制裁美國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)斗機的軍火商，洛克希德·馬丁這家公司強在哪里？到底有什么*值得學習？今天，小編帶大家來扒一扒洛馬公司的航空發(fā)動機黑科技，其中，當然少不了TDLAS的身影。
關于美軍的“黑鳥之子”SR-72超音速飛機（注：著名的黑鳥間諜機代號SR-71的后續(xù)機型）的報道可追溯至2007年，當時有未經(jīng)證實的消息透露，洛克希德·馬丁公司正在為美國空軍開發(fā)一種能夠以六倍音速或6馬赫（6,400公里/小時）的速度飛行的飛機。洛克希德·馬丁的臭鼬工廠針對SR-72的開發(fā)工作于2013年11月1日由《航空周刊》和《太空技術》*發(fā)表。消息爆出后，公眾對此的關注程度，瞬間癱瘓了《航空周刊》的服務器。
SR-71與SR-72對比介紹。圖源：《航空周刊》
洛馬公司的SR-72超音速（無人）戰(zhàn)斗機是SR-71（代號“黑鳥”）間諜機的后續(xù)機型。采用混合沖壓發(fā)動機，共享進氣和尾氣涵道，通過導流板決定空氣流動路徑，起飛后渦輪發(fā)動機將速度提升至3馬赫（注：1馬赫=1倍音速）后，導流板切換，超燃沖壓發(fā)動機開始工作，可將飛機時速提升至6馬赫。
SR-72采用的超燃沖壓發(fā)動機是噴氣發(fā)動機的一種，依靠燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生推力。與常規(guī)噴氣發(fā)動機相似，超燃沖壓發(fā)動機驅動的飛機攜帶燃料，并通過大氣中的氧氣作為氧化劑（這一點與運載燃料和氧化劑的火箭不同）。該要求將超燃沖壓發(fā)動機限制在地球亞軌道的大氣推進作用下，此時空氣中的氧氣含量足以維持燃燒。
超燃沖壓發(fā)動機由三個基本組成部分組成：匯合的進氣口，用于壓縮進入涵道的空氣；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)動機（例如渦輪噴氣發(fā)動機）不同，超燃沖壓發(fā)動機不使用旋轉的，類似風扇的轉子來壓縮空氣。相反，飛機在大氣中可達到的速度導致空氣在進氣口內(nèi)被壓縮。這樣，超燃沖壓發(fā)動機中不需要運動部件。相比之下，典型的渦輪噴氣發(fā)動機需要多級旋轉的壓縮轉子和多級旋轉渦輪，所有這些都增加了發(fā)動機的重量，復雜度和更多的故障風險點。
噴氣發(fā)動機的老中青三代（a）渦輪發(fā)動機；（b）沖壓發(fā)動機；（c）超燃沖壓發(fā)動機。（圖源：來自網(wǎng)絡）
由于其設計的性質，超燃沖壓發(fā)動機的正常工作僅限于超音速速度。由于缺少機械壓縮部件，超燃沖壓發(fā)動機需要高超音速流的高動能，才能將進入的空氣壓縮到工況狀態(tài)。因此，超燃沖壓發(fā)動機驅動的飛行器，必須先通過其他推進方式如渦輪噴氣發(fā)動機，軌道炮或火箭發(fā)動機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)動機驅動的波音X-51A的飛行實驗過程中，測試機被波音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，另一次測試的飛行速度提高到了5.1馬赫。
自1950年代以來，超燃沖壓技術一直在發(fā)展，但直到近，超燃沖壓技術才成功實現(xiàn)了動力飛行。盡管超燃沖壓發(fā)動機在概念上很簡單，但實際的實施受到很多技術的挑戰(zhàn)和限制。大氣中的超音速飛行，會產(chǎn)生巨大的阻力，并且機體和發(fā)動機內(nèi)部的溫度可能遠高于環(huán)境空氣的溫度。除了這些其他的超音速發(fā)動機也會遭遇的挑戰(zhàn)外，超燃沖壓大的挑戰(zhàn)來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，點燃和維持穩(wěn)定高超音速燃燒的技術。
SR-72亞軌道飛行概念圖
（圖源：來自網(wǎng)絡）
TDLAS技術，在高超音速航空發(fā)動機研發(fā)及飛控過程中，起到了舉足輕重的作用。TDLAS為沖壓發(fā)動機的性能測試，模型驗證，反饋控制提供了一種高時間分辨，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量手段。可以有效克服燃燒前、過程中、燃燒后的溫度、壓力、流場變化的影響，獲得穩(wěn)定可靠的燃燒狀態(tài)信息。例如，美國斯坦福大學針對溫度，流速，H2O，CO2，O2和其他燃燒組分開發(fā)的TDLAS傳感器，已經(jīng)成功經(jīng)過地面測試和原型驗證，并于2012年完成機載測試。
基于光纖TDLAS技術的超燃沖壓發(fā)動機多參數(shù)監(jiān)測原理及實驗平臺
（圖源：來自網(wǎng)絡）
典型案例
用于機載的TDLAS發(fā)動機燃燒分析模組（圖源：美國空軍）
2008年，俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地-AFRL科學家正在與行業(yè)合作伙伴Southwest Sciences，Inc.合作，為基于TDLAS的測量平臺的*飛行測試做準備。該測試是高超音速飛行研究與實驗（HIFiRE）計劃的一部分，并得到了美國空軍小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）以及美國國防部的支持。該團隊已經(jīng)對基于激光技術和定制的數(shù)字電子信號處理設備進行了優(yōu)化調整和小型化，以便于開發(fā)采用可調二極管激光吸收光譜（TDLAS）的*機載測量平臺。
TDLAS平臺提供了一種全新的方法，來測量飛行中的發(fā)動機流路內(nèi)的燃燒氣體分子種類和速度。為了從飛行實驗中獲得大的信息，該方法采用了一種稱之為波長調制光譜技術的高敏感測量技術以及數(shù)千赫茲的采樣率。這項努力標志著該技術*進行了小型化，以適合于探測火箭飛行實驗的規(guī)模使用，其中儀器的質量和功率要求分別為2kg和2W。
HIFiRE代表了美國與澳大利亞達成的一項為期7年的雙邊協(xié)議，以進行超高音速航空航天技術的基礎探索和開發(fā)研究。計劃在HIFiRE探空火箭的三個飛行中進行TDLAS實驗。這些活動將專注于開發(fā)能夠實時測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，以表征關鍵的載具/發(fā)動機參數(shù)，如入口空氣通量的捕獲，穩(wěn)定性極限和超音速燃燒過程。
專家們已證明了TDLAS飛行測量硬件可以在未有的溫度和振動條件下正常運行。*飛行于2008年進行，目標是使TDLAS實驗從技術準備水平TRL2（即技術概念和/或應用形成階段）過渡到TRL4（即在實驗室環(huán)境中對組件和/或光學面包板級的模組進行驗證）。后續(xù)分別在2009年和2010年再進行兩次飛行。該團隊希望TDLAS測量平臺將在HIFiRE的終8馬赫的超音速燃燒沖壓發(fā)動機推進飛行演習中達到TRL6狀態(tài)（即在相關環(huán)境，地面或太空中的系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或原型演示）。