超燃冲压发动机

科普中国 2016-04-06

　　天下武功唯快不破，军用飞机更是如此。

　　可是，上世纪60年代美苏先后开发出SR-71“黑鸟”及米格-25两种 3倍声速飞机后，这一纪录便再无刷新、沉寂多年。究其原因，就在于涡轮发动机的速度极限就在于此，要想“再加速”，必须引入颠覆性的新概念发动机。目前，最被航空航天大国看重的，首推“超声速燃烧冲压发动机”，简称“超燃冲压发动机”。

　　所谓冲压，就是利用飞行器飞行时的迎面气流的压力，使其进入发动机后自然压缩，而现代涡轮发动机则需要串联多个压气机涡轮、实现对空气的压缩。

　　飞行器的速度越快，发动机的推力就必须越大，为了提供更多的氧气与燃料反应，空气的压缩率就必须足够大。这时，涡轮发动机就需要更多更大的压气机，这必然导致自身重量大幅增加。增加的推力又被额外的重量消耗，甚至得不偿失，这也是涡轮发动机3倍声速极限难以逾越的关键。相比之下，冲压发动机中没有涡轮压气机，甚至根本没有转动部件，结构简单重量轻，更适合超高速飞行。

　　当飞行速度小于5倍声速时，冲压发动机吸入的空气被压缩后，气流速度会下降到低于声速；但飞行速度再增加，压缩后的气流速度将高于声速。也就是说，燃料必须在高于声速的气流中燃烧，即所谓“超声速燃烧”。

　　要实现“超声速燃烧”首要问题在于如何点火。流过超燃冲压发动机的空气只有几毫秒的通过时间，要想在这样短的时间内完成压缩，并使燃料与空气迅速、均匀、稳定、高效地掺混、点火并燃烧，技术上十分困难。

　　超燃冲压发动机需要克服的另一大难题是材料。由于发动机工作时具有极高的热负荷，因此需要使用最高性能的耐高温复合材料。即便如此，高温高压的发动机部件也必须进行高效冷却。

　　2004年11月16日，美国国家航空航天局进行了一次划时代的飞行试验。一架X-43A试验飞行器由B-52轰炸机搭载，在1.2万米高空释放，并由火箭助推器推送到3万米高空，随后启动超燃冲压发动机，最终达到约12000千米/时速度纪录，大约10倍声速。

　　除X-43A外，美国还在进行另一种称为X-51A的高超声速飞行器。这种飞行器采用“乘波体”设计，扁平的机头在飞行中可以形成“激波”，不但可提供升力也能对空气预先压缩。

　　X-43A和X-51A的试验证明，超燃冲压发动机在6～16倍声速范围内性能极高，但它要真正走向实用，还需进一步解决燃料的喷射、混合和火焰稳定等一系列问题。

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