[科普中国]-冲压式喷气发动机

概述

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，让高速气流速度降低，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绝的从前方进入，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，也是发动机公司发展的对象。1

结构冲压喷气发动机是一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。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。

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。如冲压发动机与火箭发动机组合，冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。安装组合式动力装置的飞行器，在起飞时开动火箭发动机、涡喷或涡扇发动机，待飞行速度足够使冲压发动机正常工作的时，再使用冲压发动机而关闭与之配合工作的发动机；在着陆阶段，当飞行器的飞行速度降低至冲压发动机不能正常工作时，又重新起动与之配合的发动机。如果冲压发动机作为飞行器的动力装置单独使用时，则这种飞行器必须由其他飞行器携带至空中并具有一定速度时，才能将冲压发动机起动后投放。

原理冲压发动机主要是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的。通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室和喷管组成。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。

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（例如进气速度为3倍音速时，理论上可使空气压力提高37倍）。冲压发动机的工作时，高速气流迎面向发动机吹来，在进气道内扩张减速，气压和温度升高后进入燃烧室与燃油（一般为煤油）混合燃烧，将温度提高到2000一2200℃甚至更高，高温燃气随后经推进喷管膨胀加速，由喷口高速排出而产生推力。冲压发动机的推力与进气速度有关，如进气速度为3倍音速时，在地面产生的静推力可以超过200千牛。2

分类冲压发动机或组合式冲压发动机一般用于导弹和超音速或亚音速靶机上。按应用范围划分，冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速三类。

一、亚音速冲压发动机

亚音速冲压发动机使用扩散形进气道和收敛形喷管，以航空煤油为燃料。飞行时增压比不超过 1.89，飞行马赫数小于 0.5时一般不能正常工作。亚音速冲压发动机用在亚音速航空器上，如亚音速靶机。

二、超音速冲压发动机

超音速冲压发动机采用超音速进气道（燃烧室入口为亚音速气流）和收敛形或收敛扩散形喷管，用航空煤油或烃类燃料。超音速冲压发动机的推进速度为亚音速～6倍音速，用于超音速靶机和地对空导弹（一般与固体火箭发动机相配合）。

三、高超音速冲压发动机

这种发动机燃烧在超音速下进行，使用碳氢燃料或液氢燃料，飞行马赫数高达5～16，高超音速冲压发动机正处于研制之中。 由于超音速冲压发动机的燃烧室入口为亚音速气流，也有将前两类发动机统称为亚音速冲压发动机，而将第三种发动机称为超音速冲压发动机。3

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。

发展前景编辑冲压发动机是一种新型的、用于高速飞行的、尖端航空科学技术。它正在日新月异的迅速发展。在这个领域内，有着广泛的复杂问题需要研究解决。

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。不久的将来这种理想就会变为现实。

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。