[科普中国]-超声速进气道

超声速进气道是指：用于超声速飞机或飞行马赫数大于1.6到1.7的超声速飞机上，喷气由飞机上的进口（或发动机短舱进口）至发动机进口所经过的一段管道。当超声速飞机的设计飞行马赫数较大时，如果仍然使用亚声速进气道会存在很强的脱体弓形激波，总压恢复系数很低，发动机的推力损失严重。为避免大飞行马赫数下的发动机推力严重损失，通常采用超声速进气道。

简介超声速进气道是指：用于超声速飞机或飞行马赫数大于1.6到1.7的超声速飞机上，喷气由飞机上的进口（或发动机短舱进口）至发动机进口所经过的一段管道。当超声速飞机的设计飞行马赫数较大时，如果仍然使用亚声速进气道会存在很强的脱体弓形激波，总压恢复系数很低，发动机的推力损失严重。为避免大飞行马赫数下的发动机推力严重损失，通常采用超声速进气道1。

超声速进气道特点虽然原则上，亚声速进气道设计时所考虑的许多问题同样也适合于超声速进气道，但由于下列因素使得在超声速进气道的设计和使用中所遇到的问题更为复杂。

1.宽广的飞行马赫数范围

高空最大飞行马赫数一般选为进气道的设计点。在设计点上，进气道的总压恢复系数、阻力系数都应给予特别的重视，以保证飞机能达到预期的设计速度。而同时又要考虑低速飞行和作战区域大攻角和侧滑角时可能产生的进气道出口流场畸变，发动机必须能够承受这种畸变。

2.进气道的稳定工作要求

在大马赫数飞行条件下，为使高速气流减速到发动机进口的要求，设计进气道时必须精心地组织激波波系。同时还要考虑在预期的整个飞机/发动机工作区域内，进气道都能稳定地工作，不出现喘振和痒振。

3.进气道的“二次”流量

从进气道进口通过的空气质量流量，除了绝大部分供给发动机之外，还可能有若干不同用途的“二次”流量需求，例如发动机周围和尾喷管的冷却、电子设备的冷却、进气道中心体上的附面层吸除等，这些都可能对进气道气流的损失、均匀性和发动机内流的稳定性产生严重的影响2。

超声速进气道分类根据设计状态下超声速气流滞止过程的特点，超声速进气道可分为外压式、内压式和混压式三种。外压式进气道是在进口之前将超声速气流滞止到亚声速；内压式进气道是超声速气流的减速扩压过程完全在进口中进行；混压式进气道是超声速气流部分在进口之外减速扩压，部分在进口之内减速扩压；

1.外压式进气道

外压式进气道由中心体和外罩组成。在设计状态下，超声速气流经过中心体上产生的斜激波减速，但仍为超声速，然后经过位于进气道进口的正激波减速为亚声速。

外压式进气道的波系一般由几道斜激波和一道结尾正激波组成。根据气体动力学可知，在飞行马赫数一定时，每个波系的总压恢复系数存在最大值。右图表示激波系的最大总压恢复系数随飞行马赫数的变化关系。由图可见，在一定的飞行马赫数下，波系的激波数目越多，总压恢复系数越高。理论上，当激波数目趋于无穷大时，便可实现超声速气流的等嫡滞止减速过程，这时压缩表面的形状是连续平滑的。但实际上，激波的数目受进气道外罩上激波脱体的限制。因为，激波数目越多，气流的转折角越大，相应的外罩前缘的角度也越大，致使其激波脱体。

2.内压式进气道

在设计状态下，超声速来流完全在进气道的收缩—扩张管道中减速并变成亚声速。设计状态下的理想流动，理想的超声速内压式进气道是一个具有特殊形面的先收敛后扩张的管道。特殊的形面保证超声速气流在管道的收敛段经过一系列的弱压缩波等嫡的减速增压，至喉部截面处达到声速，而后在扩张段中经过等嫡的减速增压变成亚声速，气流的参数连续地变化，没有总压损失。

3.混压式进气道

混压式进气道的特点是超声速气流在进气道进口前压缩后仍然是超声速的，然后在管道内继续压缩，通过喉部或扩张段中的正激波变为亚声速。显然这种进气道兼有外压式和内压式进气道的部分特点。混压式进气道比外压式进气道的阻力小，由于其内压式部分的进口马赫数低，缓和了起动问题2。

进气道比较(1)三种进气道的波系相同，因此波系的总压恢复系数相同。

(2)外压式进气道的气流转弯程度最大，外罩外壁的倾角最大，所以阻力较大；由于气流的折转程度较大，所以管道内的总压损失也较大。

(3)内管道进口的马赫数越大，因而起动问题相对越困难；但气流的内压缩程度增加，进气道的最大高度减小，使阻力和结构重量减小。

(4)与外压式相比，混压式进气道结尾正激波前的压缩表面较长，压缩面附面层厚，且有部分波位于进气道内，发生激波反射，并与附面层相互干扰，对总压恢复系数和出口流场畸变有不利的影响。但与内压式进气道相比，混压式进气道减小了管道进口马赫数，大大地缓和了起动问题。为了波系稳定，混压式进气道必须有一套控制机构，增加了控制的复杂性，也增加了进气道的重量，只有在飞行马赫数较高的飞机上使用才能显示其优越性。美国SR-71高空高速侦察机和XB-70轰炸机上使用了这类进气道1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所