超聲速燃燒沖壓式發(fā)動機(jī)
超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)，簡稱超燃沖壓發(fā)動機(jī)，可以在爬升過程中從大氣中獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑，從飛行中獲取氧氣，節(jié)省重量，意味著在消耗相同質(zhì)量推進(jìn)劑的情況下，超燃沖壓發(fā)動機(jī)可以產(chǎn)生4倍于火箭的推力。
簡介概況
超燃沖壓發(fā)動機(jī)是指燃料在超音速氣流中燃燒的超燃沖壓發(fā)動機(jī)。使用碳?xì)淙剂蠒r，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的飛行Ma數(shù)在8以下，使用液氫燃料時，飛行Ma數(shù)可達(dá)6~25。超音速或高超音速氣流在進(jìn)氣道中膨脹到4馬赫的較低超音速，然后燃料從壁面和/或者將氣流中的突起物噴入，與超音速燃燒室內(nèi)的空氣混合后燃燒，最后燃燒后的氣體通過擴(kuò)張噴嘴排出。
超燃沖壓發(fā)動機(jī)高超聲速飛行器（航班號m超過5倍音速的有翼和無翼飛機(jī)）是未來軍用和民用飛機(jī)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，被稱為繼推進(jìn)器、繼渦輪噴氣推進(jìn)飛機(jī)之后航空史上的第三次革命。超燃沖壓發(fā)動機(jī)是實現(xiàn)高超聲速飛行器的首要關(guān)鍵技術(shù)，是21世紀(jì)以來世界各國競相發(fā)展的熱點領(lǐng)域之一。
國外比較發(fā)達(dá)的超燃沖壓發(fā)動機(jī)有超燃沖壓發(fā)動機(jī)/增壓雙模沖壓發(fā)動機(jī)和亞燃燒/雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機(jī)。亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)可以在兩種模式下工作超燃沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)飛行數(shù)大于6時實現(xiàn)超音速燃燒，馬赫數(shù)低于6時。實現(xiàn)亞音速燃燒。美國、俄羅斯對該型發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究，美國宇航局正在對該型發(fā)動機(jī)進(jìn)行飛行測試。亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道分為兩部分：來流一部分導(dǎo)入亞音速燃燒室，另一部分通過剩余來流發(fā)動機(jī)的制動原理導(dǎo)入超音速燃燒室。這種發(fā)動機(jī)適用于巡航導(dǎo)彈等一次性飛行器。
超燃沖壓發(fā)動機(jī)雖然有很多優(yōu)點，是高超聲速飛行器的最佳吸氣動力，但它不能獨立完成從起飛到高超聲速飛行的全過程，所以人們提出了組合動力的概念，這種方案的馬赫數(shù)范圍為0－15用于載人的空天飛機(jī)，可以在地面起飛和降落。渦輪是國外研究的主要組合式超燃沖壓發(fā)動機(jī)/超燃沖壓和火箭/超燃沖壓等。這種組合發(fā)動機(jī)可能成為21世紀(jì)可重復(fù)使用的空天飛機(jī)從地面起飛和降落的動力。
發(fā)展歷史
使用超燃沖壓發(fā)動機(jī)作為驅(qū)動力并不是一個新概念。國外超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展已有50多年的歷史。在20世紀(jì)90年代，記錄了最早的專利。20世紀(jì)60年代中期，一些超燃沖壓發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了飛行測試，最高速度達(dá)到7馬赫.3。通用電氣公司、聯(lián)合技術(shù)公司、馬夸特公司、約翰·典型的氫燃料超燃沖壓發(fā)動機(jī)由霍普金斯大學(xué)的APL實驗室和NASA的蘭利研究中心開發(fā)（同樣的燃料也用于航天飛機(jī)和其他液體火箭助推器）
20世紀(jì)80年代中期，美國政府啟動了由超燃沖壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動的國家空天飛機(jī)計劃。然而，隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束、由于財政吃緊，美國政府不得不取消了1994年的計劃，當(dāng)時他們已經(jīng)投入了近20億美元。2004年，美國國家航空航天局 s HyperX計劃完成，成功進(jìn)行了兩次氫燃料超燃沖壓發(fā)動機(jī)飛行試驗。兩次飛行都以單一的速度和高度持續(xù)了幾秒鐘。
同年末，X－43A超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗飛行器創(chuàng)造了馬赫數(shù)9.6的記錄。美國空軍正在嘗試使用下一代超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)，在一定的速度和高度范圍內(nèi)加速飛機(jī)，并使用液態(tài)烴燃料作為發(fā)動機(jī)燃料，同時也用它來冷卻發(fā)動機(jī)。
超燃沖壓發(fā)動機(jī)超燃沖壓發(fā)動機(jī)可以在爬升過程中從大氣中獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑，從飛行中獲取氧氣，從而減輕重量。
從概念和原理探索階段進(jìn)入了以飛行器為應(yīng)用背景的技術(shù)發(fā)展早期。據(jù)預(yù)測，到2010年，以這種發(fā)動機(jī)為動力的高超音速巡航導(dǎo)彈將問世。到2025年，以此為動力的高超音速轟炸機(jī)和空天飛機(jī)將可能投入使用。
主要特點
首先，超燃沖壓發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點、重量輕、成本低、單位推力（推進(jìn)劑單位質(zhì)量流量產(chǎn)生的推力）高速的優(yōu)點。與火箭發(fā)動機(jī)相比，超燃沖壓發(fā)動機(jī)不需要攜帶氧化劑。
所以它的有效載荷更大，適用于高超音速巡航導(dǎo)彈、高超聲速航空器、跨大氣層飛行器、可重復(fù)使用的航天發(fā)射器和單級軌道航天飛機(jī)的動力。由于其重要的軍事和航空航天應(yīng)用前景，超燃沖壓發(fā)動機(jī)引起了世界各國的關(guān)注。昂貴的試驗費用是制約超燃沖壓發(fā)動機(jī)發(fā)展的主要因素之一。
第二，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的缺點是它可以 t本身靜止啟動，必須用助力的方法推進(jìn)到一定速度才能有效工作，低速性能不好。
主要類型
經(jīng)過多年的發(fā)展，國外已經(jīng)研究和設(shè)計了多種超燃沖壓發(fā)動機(jī)方案。主要包括普通超燃沖壓發(fā)動機(jī)、亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)雙模式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)、亞燃/雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機(jī)、吸氣式預(yù)燃室超燃沖壓發(fā)動機(jī)、噴射器超燃沖壓發(fā)動機(jī)、整體火箭液體超燃沖壓發(fā)動機(jī)、固體雙模沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)等。其中，雙模沖壓發(fā)動機(jī)和雙燃燒室沖壓發(fā)動機(jī)是研究最多的兩種類型。
雙模態(tài)沖壓
亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)是指可以在兩種模式下工作的發(fā)動機(jī)超燃沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)。當(dāng)發(fā)動機(jī)飛行數(shù)小于6時，在超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道產(chǎn)生正激波，實現(xiàn)亞音速燃燒；當(dāng)M數(shù)大于6時，實現(xiàn)超聲速燃燒，使超燃沖壓發(fā)動機(jī)的M數(shù)下限降低到3，擴(kuò)大了超燃沖壓發(fā)動機(jī)的工作范圍。
超燃沖壓發(fā)動機(jī)美國、該型發(fā)動機(jī)在俄羅斯已有研究，俄羅斯多次試驗的超燃沖壓發(fā)動機(jī)就是該型發(fā)動機(jī)。NASA即將進(jìn)行飛行測試的也是這種發(fā)動機(jī)。這種超燃沖壓發(fā)動機(jī)可用于高超音速巡航導(dǎo)彈、無人駕駛飛機(jī)和有人駕駛飛機(jī)。
雙燃燒室沖壓
對于使用碳?xì)淙剂系某紱_壓發(fā)動機(jī)，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于M3 4時.在5范圍內(nèi)工作時，燃料不容易著火為了解決這個問題，。人們提出了亞燃/雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機(jī)的概念。這臺發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口分為兩部分：一部分來流被導(dǎo)入亞音速燃燒室，另一部分被導(dǎo)入超音速燃燒室。亞音速燃燒室的突然膨脹作為超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的點火源，使燃料的熱量在低M數(shù)時得到有效釋放。由于亞燃預(yù)燃室以富油方式工作，所以不存在在貧油條件下進(jìn)行亞燃沖壓的燃燒室-進(jìn)氣道不穩(wěn)定性。這種方案技術(shù)風(fēng)險小，開發(fā)成本低，更適合巡航導(dǎo)彈等一次性飛行器。掌握這項技術(shù)的主要是美國霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實驗室。
超燃組合
雖然超燃沖壓發(fā)動機(jī)有很多優(yōu)點，是高超聲速飛行器的最佳吸氣動力，但它不能獨立完成從起飛到高超聲速飛行的全過程，所以人們提出了組合動力的概念。早在20世紀(jì)50年代，超燃沖壓發(fā)動機(jī)概念論證時，人們就提出了基于超燃沖壓發(fā)動機(jī)的組合動力方案該方案的M數(shù)范圍為0~15甚至25。用于能在地面起飛和降落的載人航天飛機(jī)。已經(jīng)研究了許多類型的組合式超燃沖壓發(fā)動機(jī)，包括渦輪/亞燃/超燃沖壓、火箭/超燃沖壓等。這種發(fā)動機(jī)將成為21世紀(jì)空天飛機(jī)從地面起飛和降落的動力。
工作過程
原理
沖壓發(fā)動機(jī)的原理比渦輪噴氣發(fā)動機(jī)發(fā)現(xiàn)的早得多無非是空氣以超音速進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室，與燃油一起被點燃空氣由于自身的能量，不需要再壓縮，因此可以完全省略渦輪和相關(guān)的復(fù)雜設(shè)計，簡化噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)。
范疇
與一般沖壓發(fā)動機(jī)不同的是，發(fā)動機(jī)的氣流在進(jìn)氣前后都保持在5馬赫以上。。但一旦氣流速度達(dá)到5馬赫以上的高超音速，氣流減速和增壓帶來的高壓高強(qiáng)度和高溫將超過發(fā)動機(jī)材料的耐久極限。所以，解決這個問題最好的辦法就是高超音速吸氣，燃燒后立即高超音速彈射。這樣，發(fā)動機(jī)中截留的靜壓和靜溫就不會威脅到發(fā)動機(jī)的正常工作。其中，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難點之一是點火技術(shù)添加燃料，以高超音速點燃，無異于在龍卷風(fēng)中點燃一根火柴！