超燃冲压发动机简介

生清净心不 2019-10-20

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一、背景

美国东部时间2017年5月7日上午8时左右，美空军X-37B“轨道试验飞行器-4”（OTV-4）在执行完机密军事任务、经过718天的太空飞行后，降落在NASA肯尼迪航天中心的跑道上。X-37B空天飞机是美国研制的一种超高声速轨道试验飞行器，其飞行速度最高可达到声速的25倍以上，迄今已经完成四次飞行试验。

美国空军曾经提出1小时内打击全球任何目标的“即时全球打击”概念。正在试验的X-37B有可能转化为承担这一任务的空间作战飞行器，对地面目标进行毁灭性打击。目前，美国空军下达远程轰炸任务后，需要根据基地和目标位置决定派遣B-2远程隐形轰炸机还是B-52轰炸机。这往往需要12-24个小时才能完成。而X-37B不受大气层影响，既能在外太空巡航，又能进入大气层直接执行打击任务，而且飞行速度为超高声速，实现了全球快速打击。

X-37B是美国抢占制天权的关键武器装备。高超声速飞行器日益成为维护国家太空安全的重要力量。高超声速飞行器技术涵盖面很广，包含超燃冲压发动机技术、组合推进系统技术、热防护技术、制导与控制技术等关键技术。而超燃冲压发动机（Scramjet）技术在高超声速飞行器技术体系中处于核心地位。

二、超燃冲压发动机的概念

进入发动机的空气有一个最佳压缩量，能够使发动机的效率达到最高。如果进入的空气低于或者高于这个量，发动机效率都将降低。因此，飞行速度很低时，进入发动机的空气动能全部用来增压还不够，必须进一步增大压力。涡轮发动机就是很好的例子。进入涡轮的气流在压缩机内被压缩成高密度、高压、低速的气流，以增加发动机的效率。当飞行速度为超高声速时，将吸入的空气按最佳压缩量压缩，此时进入燃烧室的气流仍为高超声速。如果继续减速增压，气流将变为亚声速。由于巨大总压损失和熵增，发动机很难产生较大推力。

因此只能适当进行减速增压，将燃烧过程维持在超声速气流中。因此，这种在超声速气流条件下工作的吸气式发动机被称为超声速燃烧冲压发动机，简称超燃冲压发动机。其一般应用于飞行马赫数高于6的飞行器。（马赫数是指飞行器在空气中的运动速度与该高度远前方未受扰动的空气中的声速的比值）

三、超燃冲压发动机的原理及构成

超燃冲压发动机属于吸气式喷气发动机，由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管构成，没有压气机和涡轮等旋转部件，结构简单。

飞行器以超高声速飞行时，扰动来不及传到飞行器的前面去，结果前面的气体受到飞行器突跃式的压缩，形成集中的强扰动。这时出现一个压缩过程的界面，称为激波。经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。超燃冲压发动机就是利用进气道中形成的激波来将气体减速增压。之后气体直接进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧产生的高温燃气经尾喷管膨胀加速排出，产生推力。

进气道位于超燃冲压发动机的最前端。它需要有尺寸和重量较小、能够提供高效压缩、产生极低阻力等特点。进气道能否正常启动十分关键。当地马赫数、流场结构、壁面温度等都会影响进气道的启动。在研究进气道启动时还应充分考虑以下几个方面：

1.高温效应。当进入进气道的气流温度较高时，气流会出现振动能激发、电离、离解等现象。此时气体不能再被当成理想气体对待。

2.钝前缘效应。出于热防护的需要，高超声速飞行器的前缘需要进行钝化处理。但是前缘钝化会明显推迟进气道压缩面边界层（一种流动薄层）转捩。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；当流速增加到很大时，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，称为湍流。转捩就是指层流转变为湍流的过程。前缘钝化会导致在临界前缘半径时边界层不转捩。此时必须采取一定的人工转捩措施，使得边界层在进入进气道之前为湍流，保证进气道的启动。

隔离段是位于进气道和燃烧室之间的一段管道。它主要有两个作用：一是尽可能减小进气道与燃烧室间的相互影响；二是使超燃冲压发动机以双模态方式工作，即在亚燃模态和超燃模态之间相互转换。

燃烧室是超燃冲压发动机的核心部件。其设计必须考虑燃料和空气的充分混合与燃料的稳定燃烧。由于燃烧室来流气体为超高声速，气流在燃烧室内停留时间仅为毫秒量级。在极其短暂的时间完成燃料与空气的混合难度很大。此外，碳氢燃料点火时间长、反应速度慢，若采用传统的燃料喷射方法，碳氢燃料很难实现高效率燃烧。国内外研究者往往采用从壁面直接喷射燃料、斜坡喷射等方法使燃料与空气混合充分并解决点火和火焰稳定等问题。

尾喷管的主要设计方法有最大推力理论和最短喷管长度理论。最大推力理论就是在喷管长度一定或通过喷管的质量流量一定的约束下研究尾喷管的最大推力。最短喷管理论就是把全部膨胀压缩在喷管喉部的一个锐角中，从而得到长度最短的喷管。