飞行器 超燃冲压发动机渐成熟,高超声速飞行器来临,军事应用影响深远

动力装置是飞行器的心脏,高超声速飞行器对动力装置的要求更高,当然难度也要大的多。与常规飞机相比,高超声速飞行器除了飞行速度要快得多,还往往要进行“跨介质”工作,也就是在大气层内和临近空间等环境中都能够正常工作,而常规飞机的发动机只能在大气层内工作。


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目前而言,高超声速飞行器的飞行环境大致可以分为三个空间:
一是距离地面大约30千米以内,这是目前绝大多数常规飞机飞行的空间,主要动力是涡轮喷气式发动机。
二是距离地面30~60千米的范围,由于地球引力变小,空气非常稀薄,涡轮喷气式发动机无法获得足够的空气,燃烧室无法稳定工作,甚至会熄火。实际上,目前大多数战斗机的实用升限都在25千米以下,只有SR-71“黑鸟”能在30千米高空飞行,这主要得益于它独特的双循环发动机。在空气稀薄空间进入2倍声速工况时,这台J58涡喷发动机摇身一变成为冲压发动机,将空气压缩后注入加力燃烧室,解决了稀薄空气中稳定燃烧所需的氧化剂问题。
三是距离地面60千米以上,大约60~100千米甚至更高的位置,这里的空气已经稀薄到连冲压发动机都无法工作的地步,属于与外太空环境类似的临近空间,此时就需要使用火箭发动机来推动。


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可见,飞行器要在各种空间环境中飞行,就需要有适应不同环境的多种动力装置,或者使用多种动力的组合形式,比如将涡轮发动机和冲压发动机组合起来,或者将涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机组合起来。在诸多的动力选择中,冲压发动机占据了非常重要的位置,无论哪一种动力组合,冲压发动机都几乎是必不可少的动力类型。
高超声速飞行器要在高空稀薄的空气中以3马赫以上的高速飞行,冲压发动机要比涡轮风扇发动机适应得多。具体来说,高速飞行会造成很高的温度,涡轮喷气发动机的涡轮叶片会受高温烧蚀,以现有材料技术,涡轮叶片能承受的最高速度不能超过3马赫。而冲压发动机没有导向叶片和压气机等结构,不存在活动的、可被融化的部件,因此成为高超声速飞行器的最佳选择。
尽管当前各国现役导弹上装备的冲压发动机不在少数,但这些实际上都应该称之为“亚燃冲压发动机”。所谓亚燃冲压发动机,就是在超声速飞行中,在进口处设置一个用于将来气流速度降低到声速以下的扩散装置,使气流进入燃烧室与燃料混合燃烧时,处于亚声速状态,因此就称为“亚燃”。而高超声速飞行器的速度比亚燃冲压发动机要求的更髙,一般超过5马赫,此时如果使用扩散装置降低气流速度,就会产生很严重的滞止效应,会有大量动能转化为热能,直接体现就是燃烧室温度急剧升高,甚至会达到3000度,这是当前的材料无法承受的。


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为了在不使用扩散装置的情况下,让气流直接以高超声速通过发动机并燃烧,这就是超燃冲压发动机。它是通过极高的速度将空气吸入,并将空气压缩并达到上千度的高温后,与燃料混合燃烧产生巨大推力。使用超声速燃烧能减少气流压缩和膨胀损失,降低气流温度和压力,减轻发动机结构负荷。
使用超燃冲压发动机,使得高超声速飞行器的理论飞行速度能够达到5马赫以上,甚至理论上没有极限,只要材料和其他条件允许,它能越飞越快。总体来说,超燃冲压发动机作为高超声速飞行器的动力,具有其他动力技术无法比拟的优势。


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第一,超燃冲压发动机的比冲比火箭发动机大,动力性能优越。比冲是指消耗单位质量的燃料所产生的推力。在30千米以上的空气稀薄空间,理论上也可以用火箭发动机,但超燃冲压发动机的比冲远超火箭发动机,因而推力效果更好。根据理论计算,飞行器在30千米高度以5马赫速度飞行时,超燃冲压发动机的比冲是火箭发动机的4倍多,也就是说,消耗同样的燃料,超燃冲压发动机产生的推力比火箭发动机大3倍以上。
第二,超燃冲压发动机属于吸气式发动机,依靠吸入高速空气来燃烧运行,不需要自身携带氧化剂。而火箭发动机必须携带足够多的燃料,其中氧化剂占到推进剂总量的80%,严重占用了飞行器的载荷和内部空间。

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