[科普中国]-飞行器是如何突破限制，达到多倍音速的？

出品：科普中国

作者：刘晓峰

策划：金赫

监制：光明网科普事业部

现有的战斗机大多采用涡轮风扇发动机，其基本工作原理与涡喷发动机类似，用风扇将空气从进气口吸入，在燃烧室内形成高压空气，然后加注燃油、点火，使空气体积瞬间膨胀，然后喷出空气、产生推力。从第三代战斗机开始，为了吸入更多空气，研究人员们就在涡喷发动机进气口位置增加了一个加压风扇，这便是涡扇发动机。

涡扇发动机可以理解为在涡喷发动机外再加一个加压风扇，目的是利用流出的空气吹动尾部低压涡轮风扇，再带动前段的风扇，增加参与燃烧的空气量。原理与坦克发动机的废气涡轮增压器一致。

正是由于加压风扇的作用，空气吸入量增加，在燃烧室内引燃同样数量的燃油，涡扇发动机当中参与燃烧的空气要比涡喷发动机多，喷出的空气动力也就更强。而且由于涡扇发动机排出的空气还要经过低压涡轮机转动，动力通过低压轴传递给加压风扇，以便继续吸入更多空气，因此涡扇发动机虽然空气燃烧量高，但飞行速度并不快，这就是我们经常看到使用涡扇发动机的第三代、第四代战斗机虽然空中机动能力、瞬间加速性和发动机使用寿命高于使用涡喷发动机的第二代战斗机，但最高飞行速度却不如第二代战斗机。所以表现出来的特性就是：第三代战斗机一般能够以1.3-1.5倍音速较长时间巡航飞行，但最快的飞行速度却略逊二代机一筹。而最大飞行速度究竟是不是未来战斗机追求的目标呢？到了四代机时期，类似气动布局的战机在飞行速度都有了不同程度的提升，由此可见虽然战斗机最快飞行纪录仍然被四五十年前研制的二代机把持着，但科学家们对于提升战绩速度的研发方向始终没有改变。

在过去，飞行员对速度的适应能力一直是制约飞机最大速度的瓶颈之一，但随着无人机担负的战场任务越来越丰富，制约战斗机最大飞行速度的“人的因素”已基本不复存在，所以一些国家开始从动力系统的工作原理角度重新探索提升飞机速度的方法。

过去，飞行控制技术一直是超高声速飞行器进入应用阶段的瓶颈之一，随着自主驾驶算法的完善和运行设备的进步，无人飞行器将先于有人飞行器实现超高声速飞行应用

顺着三代机与二代机速度的差距和结构的区别，我们得到这样一个规律——涡扇层数越多，加力越强。就像在跑步机上跑步一样，奔跑的速度在跑步机速度范围内时，传送带可以带着运动者奔跑，当运动者奔跑的速度超过跑步机最大速度时，传送带反而限制了最大速度。这与涡扇发动机速度提升瓶颈的原理有些相似。因此，顺着减少风扇数量能够提升最大速度的思路分析，高燃冲压发动机干脆就没有风扇，自然也就没有了限制。

冲压发动机与涡扇发动机原理示意图

那么，没有吸气风散的冲压发动机如何让空气源源不断进入燃烧室？说白了就是靠吹，当飞行器快速飞行时，就会有大量空气吹入，让飞行器速度加快，由于没有风扇的阻隔限制，随着飞行速度不断加快，就会有更多空气进来，参与燃烧，以此形成良性循环。其燃烧原理与喷气式发动机几乎相当，所以我们可以把冲压发动机理解为没有风扇的喷气式发动机，这就是冲压发动机飞行速度远超涡扇发动机的理论依据。

在整体发动机被研制出之前，冲压发动机还需要别的飞行器带着飞一段

由于冲压发动机在速度较低时没有足够的空气进入时不能点火，因此，需要一台辅助发动机把冲压发动机带到一定速度，这台辅助发动机可以是航空用喷气式发动机，也可以是火箭发动机。经测试，冲压发动机一般在速度2倍音速的条件下点火，在起飞和着陆阶段，使用辅助发动机飞行；进入3-6倍音速高速飞行状态时，关闭并隐藏辅助发动机，同时打开冲压发动机。所以，我们可以把冲压发动机与辅助发动机的配合理解成一个完整的高速发动机系统，同时可以沿着这个思路，去构思我们未来的空天动力系统。

目前，从理论上已经设计出以火箭冲压发动机作为助推器的与冲压发动机共用一个燃烧室的高速发动机系统。火箭发动机负责起飞段，冲压发动机负责速度3-6倍音速飞行段。

作者：刘晓峰，装备专家，长期从事武器装备论证、预研制工作，主持军工企业省部级重点项目1项，为国防装备建设提供决策性重要参考1项，参与新一代装备关重件试制工作2项，为装备研制和使用部门提供重要建设性改进意见并得到采纳2项，拥有行业内著作1部，在《坦克装甲车辆理事会论文集》发表装备发展规划论文1篇。