冲压发动机

冲压发动机

冲压喷气发动机
冲压喷气发动机是种利用迎面气流进入发动机后减速,使空气提高静压的一种空气喷气发动机。通常由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成。冲压发动机没有压气机,所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。[1]这种发动机压缩空气的方法,是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速,将动能转变成压力能。冲压发动机的构造简单、重量轻、推重比大、成本低。但因没有压气机,不能在静止的条件下起动,所以不宜作为普通飞机的动力装置,而常与别的发动机配合使用,成为组合式动力装置。
    中文名:冲压喷气发动机 外文名:ramjet engine 别名: 简称:冲压发动机 特点:构造简单,推力大,适于高空高速 分 类:亚音速、超音速、高超音速 燃 料:航空煤油或烃类燃料 组 成:进气道、燃烧室、推进喷管

历史

冲压发动机在1913年由法国发明家 René Lorin 发明,并被申请专利。但是由于缺少足够的材料,建造原型机的工作失败了。

 

在1915年,匈牙利发明家 Albert Fonó设计了一种增加火炮射程的解决方案。他将火药发射的炮弹于冲压发动机推进结构结合起来,使得尽管发射速度比较低,炮弹仍能有较远的射程,同时也允许相对轻型的火炮可以发射重型的炮弹。Fonó 将他的发明提交给了奥匈军队,但是这项提案被否决了。在第一次世界大战之后,Fonó 回到了喷气推进的课题中。1928年5月,他在一份德国专利申请中描述了一种可以用于高海拔超音速飞行器的喷气发动机。而在附加的专利申请中,他调整了发动机使之可以用于亚音速飞行。经过四年的专利审查,于1932年他获得了这项专利 (德国专利号 No. 554,906, 1932-11-02)。

美国海军使用"Gorgon” 这个名字发展了一系列空空导弹,使用了不同的推进技术,其中也包括了冲压发动机。Glenn Martin 使用冲压发动机制造了 Gorgon 四型导弹,于1948年和1949年在Point MuGu 海军航空站测试。 这枚导弹中使用的冲压发动机由南加州大学设计,由Marqutdt航空器公司制造。这个发动机常7英尺,直径20英寸,被安放于导弹下部。

 

在苏联,超音速冲压发动机的理论在1928年由 Brois S. Stechkin 提出。Yuri Pobedonostsev 对冲压发动机进行了大量地研究。第一个发动机,GIRD-04在1933年4月由I.A. Merkulov 设计并测试。为了模拟超音速的飞行,实验中向发动机提供了200个大气压的空气,而发动机使用氢气作为燃料。冲压发动机GIRD-08使用了磷作为燃料。为了测试这台发动机,实验者使用一个加农炮将它发射出去。这些炮弹可能是最早的喷气动力的超音速弹丸。1939年,Merkulov 将冲压发动机用于R-3二级火箭,并进行了相关的测试。这年8月,他制造了首架以冲压发动机作为附加动力的战斗机,发动机名为DM-1,并于12月进行了世界上首次以冲压发动机为动力的飞行。飞机为一架经过改装的Polikarpov I-15,使用了两部DM-2发动机。1941年,Merkulov开始设计一种冲压发动机为动力的战斗机 Samolet D, 但没能完成。在第二次世界大战中,两部他设计的DM-4型发动机被安装在Yak-7 PVRD 战斗机上。1940年,以液态燃料火箭发射、以冲压发动机为飞行动力的Kostikov-302实验飞机设计完成。该项目于1944年取消。1947年,Mstislav Keldysh 提出了一种远距离轨道轰炸机的设计方案,使用冲压发动机来代替火箭发动机。1953年,NPO Lavochkin 和 Keldysh 开始设计三倍音速的冲压发动机驱动的巡航导弹,Burya。 该项目与R-7 ICBM 同时完成,于1957年取消。

 

1936年,Hellmuth Walter建造了以使用天然气作为动力的测试发动机。BMW、Junkers 和 DFL 进行了理论的研究工作。在1941年,来自DSL的Eugen Sänger 提出了一种使用非常高燃烧温度的冲压发动机。他建造了非常大的冲压发动机管道(直径为500 mm 和 1000mm)并在卡车上和设置在以高达200m/s飞行的飞机上的专用的测试设备上进行了测试。随后,由于战争中汽油在德国变成了稀缺资源,测试使用了块状的压缩煤作为燃料。但是由于煤燃烧速度慢,测试没有成功。 

技术原理

冲压发动机本身没有活动的部分,气流从前端进气口进入发动机之后,利用涵道截面积的变化,让高速气流降低速度,并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室,与燃料混合之后燃烧。由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不决的从前方进入,因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作,只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度,必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度,然后才点燃冲压发动机。

 

由于没有活动组件,冲压发动机与一般喷气发动机比较起来,重量较低,结构也比较简单,不过冲压发动机在低速时的气体压缩效果有限,因此低速时效率比较差。

 

冲压发动机适合的工作环境是在2马赫与以上的速度,最低启动速度也大约是此界线,随着速度逐渐增加,气体的冲压效应在3马赫时效率会大幅压过涡轮喷气发动机,而此时的涡轮喷气发动机受限于超温往往已经无法运作了,但是冲压发动机在燃烧的阶段,进气气流的速度仍然需要经过激波减速在音速以下,否则燃烧过程将无法维持。新一代的冲压发动机称为超音速燃烧冲压发动机(Scramjet),这种发动机的气流在燃烧阶段还是维持在音速以上的速度,在技术难度上更高,也是目前主要发动机公司发展的对象。

结构

在空气中高速运行的物体将会在运行的前方产生高压区域,而后方产生低压区域。冲压发动机利用了发动机前方的高压使空气进入发动机管道,随后,空气与燃料混合燃烧。加热后的空气传送到喷嘴并被加速至超音速。这个加速给予冲压发动机前进的推力。

 

冲压发动机通常被描述成“飞行的烟囱”。这个设备非常简单,包括一个进气口、燃烧室、和一个喷嘴。通常,冲压发动机中唯一的活动结构在涡轮泵中,这个泵将液态燃料泵入燃烧室。而固态燃料的冲压发动机的结构更为简单。作为对比,一个涡轮喷气发动机通常包括涡轮驱动的风扇来压缩空气,这将使发动机在低速时有更高的效率,而此时冲压发动机的效率比较低。但是涡轮喷气发动机更加复杂、沉重,造价也更昂贵。涡轮机的温度限制也限制了最高速度与高速时的推力。 

进气口

冲压发动机利用了入口附近的非常高的动态压力。有效率的空气入口可以恢复大部分自由流滞止压力,这个压力可以用来支持燃烧与喷嘴处的膨胀过程。

 

大多数冲压发动机在超音速的状态下才能工作。进气口通过进气道截面积的变化使得气流速度降低,最终在出口处达到亚音速。进一步地传播将使得气流的速度进一步下降到适于燃烧的水平。

 

由于气流已经降至亚音速,亚音速的冲压发动机不需要复杂的进气口设计。略超过音速时,这个设计也可以使用,但是空气将在进气口阻塞,使发动机效率降低。 

燃烧室

和其他的喷气发动机类似,燃烧室的功能是提供加热的空气。燃烧室需要将燃料与恒定气压的空气混合并燃烧,以完成该功能。由于通常流经发动机的气流速度很高,受保护的燃烧区域通常使用火焰稳定器来防止火焰被吹灭。

应用范围

冲压发动机冲压发动机按应用范围分为亚音速、超音速和高超音速3种:

①亚音速冲压发动机:使用扩张形亚音速进气道和收敛形喷管,以航空煤油作燃料。飞行时,空气增压比不超过1.89,发动机热效率低。随着飞行速度的减小,效率迅速降低。一般在飞行马赫数小于 0.5时不能使用。亚音速冲压发动机可用于亚音速航空器如靶机。

②超音速冲压发动机:飞行速度在马赫数1~6之间。为了减少气流在减速增压过程中的损失,采用多激波系的超音速进气道,进气道出口气流是亚音速的。发动机使用航空煤油或高密度烃类燃料。燃烧室用火药点火器或电火花塞点火。高温燃气通过收敛形或收敛扩散形喷管加速后喷出。超音速冲压发动机用于超音速靶机和地空导弹。

③高超音速冲压发动机:使用碳氢燃料或液氢燃料,飞行马赫数为5~16。燃料在超音速气流中燃烧,能减少气流压缩和膨胀损失,降低气流静温和静压,减轻发动机结构负荷。高超音速冲压发动机研制的关键是解决边界层分离、气动加热和燃烧不稳定性问题。

除使用液体燃料的冲压发动机外,还有使用含镁粉或铝粉等富燃料药柱的固体冲压发动机和使用核能加热空气流的核冲压发动机等。

装备用途

①超音速飞机:主要用作歼击机与轰炸机的动力装置。例如正在研究中的一种,是把冲压式发动机与涡轮喷气发动机组合使用,后者放在冲压发动机的进气道内。起飞时使用涡轮喷气发动机,冲压发动机在M=0.4时起动,设计的飞行速度为音速的4倍(M=4)(图3)。此外还有一种在研究中的轰炸机,其设计飞行速度为M=4,巡航高度H=30,000公尺,最大航程为16000公里,目前尚未获得成功。

②洲际飞航导弹:由于冲压发动机可在高速下飞行,并且经济性很好,做为远程导弹,无论从军事上或经济上来考虑都很好,所以各国都在积极的从事研究。有一种正在研究中的洲际飞航导弹,其飞行速度约为音速的3.0-3.5倍,高度约为21-24公里。航程大于8000公里。

③中程近程导弹:在射程从几十公里直到2400公里范围内的中程及近程导弹上,目前经常采用冲压发动机。这种导弹可以是地对地,空对空,也可以是地对空。例如有一种装有冲压式发动机的地对地导弹飞行速度M=3.5,飞行高度24公里,航程2400公里。另一种空对空导弹从歼击机发射,可以用来攻击轰炸机或其他飞机,速度是音速的3倍。还有一种正在生产中的防空导弹,由地面发射,速度为M=2-2.5,这些导弹均采用冲压式发动机作为动力装置。

此外,为了训练歼击机及导弹武器射击用的超音速靶机,使用冲压发动机也是非常经济的,因为这种发动机成本比其他发动机要便宜得多。

中国的发展

在中国,钱学森和梁守磐教授倡议和领导了冲压发动机的发展工作。在60年代就积极着手发展了液体燃料冲压发动机。截止2001年已有几种液体燃料冲压发动机和固体火箭冲压发动机已经研制成功,某些发动机已用于低空超音速反舰导弹上。在研究整体式液体燃料冲压发动机方面已获得重要进展。高超音速吸气式组合发动机的概念研究和可行性研究正在进行,目的是找出吸气式组合推进系统的最佳类型。超音速燃烧的研究工作正在开展。液体燃料冲压发动机曾研制了不同类型的高空、低空弹用冲压发动机。在研制中,一个重要的问题是进气道。发展了几种类型的进气道,诸如带有单锥的外压式进气道、多激波进气道、侧面进气道、等熵进气道等。另一个重要问题是燃烧室。研究了不同类型的燃油喷嘴、喷油杆、V型槽稳定器、预燃室,以及气膜冷却方法。

发展前景

随着飞行速度的提高,就要求设计制造出更有效的部件——扩压器,燃烧室,尾喷管。有的国家正在计划把冲压发动机的飞行速度提高到5-7倍音速,甚至更高(约5300-7400公里/小时)。这就需要解决一系列新的问题。例如,首先要求解决热障问题,在M=5飞行时,发动机壁面与空气摩擦后温度可以达到1000℃左右。燃烧室加热以后的温度将达到2500-2800℃左右,这就需要耐温能力更高的材料。其次,为了使燃烧室中能加温到更高的温度,目前所采用的燃料(煤油)是不行的,这就需要高能量的燃料。

今天已进入原子能时代。因此在冲压发动机上使用原子能吸引着许多科学家,使他们进行不懈的研究。

在地球大气的上层,由于太阳和宇宙线的作用,部分空气分解成为离子,当这些离子再合成分子时,就会放出大量的能量,因此就有可能在发动机内喷入少量的催化剂,使离子再结合成分子,放出能量而推动飞机,这样就根本不必携带燃料。这种离子冲压发动机的航程,可以认为是无限的。

相关词条

相关搜索

其它词条