超燃冲压发动机技术49页PPT
超燃冲压发动机
气动力一体化、结构设计一体化、燃料供应和冷却系统设计一体化、调节 控制设计一体化。
第三部分 关键技术
第三部分 关键技术
材料技术、点火技术
1、高温坏境，高压载荷，对材料要求特别高 2、在高超音速中添加燃料并点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴。
进气道技术
进气道技术要解决的主要问题是要求高超声速进气道能够让发动机可 以持续稳定的进气出气，且维持稳定的压力，否则发动机就会变得不可控 制甚至突然熄火。此外因为空气流动时在和发动机交界处流速恒定为0，这 就会产生一个阻力，这个交界层叫做附面层，高超音速时，这一阻力效应 非常大，要解决这些问题都需要对进气道进行精密设计，研究其三维压缩 效应，附面层效应等。
超燃冲压发动机
scramjet engine
授课教员：李倩
汇报人：曹栋栋
目录 CONTENTS
第一部分 技术概况
第二部分 主要类型
第三部分 关键技术
第四部分 各国现状
第一部分
技术概况
第一部分 技术概况
高超声速飞行器（飞行马赫数超过声速5倍的有翼和无翼 飞行器）是未来军民用航空器的战略发展方向，被称为 继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次 革命。超燃冲压发动机是实现高超声速飞行器的首要关 键技术，是21世纪以来世界各国竞相发展的热点领域之 一。
第三部分 关键技术
热平衡管理
在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到 一个热平衡，使发动机携带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非 常重要的。但是，冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量 ，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样，热 的多余燃料必然堆积在发动机的某处，这将有可能使飞行器的航 程受影响。替代的方案是在更低的速度下飞行，以减少达到正确 热平衡的热负荷。
冲压发动机技术讲解
练习：试计算比冲的大小。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
I sp
F 1259 .7 9841 .4 (N s/kg) fu m 0.128
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.2 火箭冲压发动机
火箭冲压发动机是火箭与冲压相对独立的一种冲压发动机。
空气 p0 空气
p1 火箭燃气 混合燃气
Q12 ( 1) h01
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
练习：某冲压发动机燃烧室入口总温 T01=350 K ，燃烧加入的热量达到 Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比热比g =1.3。
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
F peAe
Aa Ae
结合上述两式，得
Ve m aVa pe Ae pa Aa e pdA F m
Aa A
(b) x
冲压发动机控制体示意图
第六章 冲压推进技术
Ve m aVa pe Ae pa Aa pdA F m
Aa Ae
现代推进原理与进展
例：某冲压发动机燃烧室入口总温T01=350 K，燃烧加入的热量达到Q12=1306 kJ/kg，求发动机的加热比。已知燃气的气体常数Rg=287.04 J/kg.K，比 热比g =1.3。 解： c p
gRg g 1
1243 .8 (J/kg.K)
T02 Q12 1306 103 1 1 4.0 T01 c pT01 1243 .8 350
空气 空气
二次进气固体燃料冲压发动机示意图
第六章 冲压推进技术
《冲压发动机技术》课件
技术展望与发展趋势
高效燃烧技术
未来冲压发动机将采用 更高效的燃烧技术，提 高燃烧效率，降低排放
。
新材料应用
新材料的应用将进一步 提高发动机的性能和可
靠性。
智能化控制
智能化控制技术将进一 步应用于冲压发动机，
实现更精确的控制。
多学科优化设计
多学科优化设计方法将 进一步应用于冲压发动 机设计，提高设计效率
。
THANKS.
通过优化进气道设计、提高涡轮 增压器性能等方法，可以改善冲 压发动机的加速特性。
经济特性
经济特性的定义
经济特性是指冲压发动机在运行过程中的燃油消耗率 ，是衡量发动机经济性能的重要指标。
经济特性的影响因素
经济特性受到多种因素的影响，包括发动机效率、进 气流量、飞行速度等。
经济特性的优化
通过提高发动机效率、优化进气道设计等方法，可以 降低冲压发动机的燃油消耗率，提高经济性能。
冲压发动机应用案
05
例
军用飞机应用
军用飞机是冲压发动机的主要应用领 域之一。
军用飞机对冲压发动机的性能要求较 高，需要具备高推重比、高燃烧效率 和大范围工作速度等特点。
冲压发动机在军用飞机上主要用于高 空高速侦察、远程高速打击和反舰作 战等任务。
典型案例包括美国的SR-71战略侦察 机和F-15战斗机等。
采用先进的控制系统
通过采用先进的控制系统，实现对发 动机的精确控制，从而提高发动机的 性能。
冲压发动机试验与
04
验证
试验设备与测试方法
试验设备
介绍用于冲压发动机试验的设备和测 试系统，包括燃烧室试验台、进气道 试验台、喷管试验台等。
测试方法
详细说明各种试验的测试方法、步骤 和注意事项，包括稳态和瞬态测试。
冲压发动机
冲压发动机简介冲压发动机是一种高效且可靠的发动机系统，广泛应用于汽车、航空和航天等领域。
它通过冲击和挤压的方式将燃烧室中的燃料与氧气混合，从而产生高压气体，驱动发动机的转子运转，实现能量的转换。
优势1.高效能: 冲压发动机利用冲击和挤压的方式将燃料和氧气混合，可实现更高的燃烧效率，相较于传统发动机可提高燃料利用率，降低能量损耗。
2.低排放: 冲压发动机在燃料和空气的混合过程中，能够更好地控制燃烧速度和温度，减少燃料中的有害物质产生，降低尾气排放。
3.减少噪音: 冲压发动机相较于传统发动机具有更平滑和连续的燃烧过程，减少了机械运动中的震动和噪音，提升了乘坐舒适性。
工作原理冲压发动机通过一系列冲击波和挤压波的相互作用，将燃料和氧气混合并升温至可燃点。
其工作原理如下：1.进气阶段: 发动机通过进气道引入大量新鲜空气，同时将燃料喷入燃烧室。
2.冲击波阶段: 燃料和空气在燃烧室内迅速混合，并被点火引燃。
由于燃烧过程中燃气的膨胀，产生的高温和高压燃气会形成冲击波。
3.挤压波阶段: 冲击波传播至发动机进气道末端时，会产生挤压波。
挤压波起到将剩余燃气重新压缩至燃烧区域的作用，从而增强燃烧效率。
4.排气阶段: 发动机将燃烧产生的高温低压气体通过排气阀门排出，同时开始新的循环。
应用领域冲压发动机的高效能和环保特性使其在多个领域得到广泛应用，其中主要包括：1.汽车行业: 冲压发动机可以降低燃料消耗和废气排放，提高汽车的性能和经济性，逐渐成为主流的动力系统。
2.航空航天: 冲压发动机在航空航天领域中具有较高的推力和效率，被广泛应用于喷气式飞机、火箭等。
3.可再生能源: 冲压发动机可以利用氢气等可再生能源进行高效燃烧转化，对于推动环保能源的发展具有重要意义。
发展趋势冲压发动机作为一种重要的动力系统，随着科技的不断进步，其发展趋势主要集中在以下几个方面：1.高压比: 随着材料科学和工艺技术的发展，冲压发动机的工作压力将进一步提高，以获得更高的效率和推力。
超燃冲压发动机技术
超燃冲压发动机技术涉及到大量基础和应用科学问题, 是高 难度的高新技术。从高超声速技术发展来看高超声速技术飞 行距离实际应用还有些距离。但是, 由于高超声速巡航导弹 和空天飞机等需求的牵引, 越来越多的国家和地区仍在持续 进行超燃冲压发动机技术研究。21 世纪, 超燃冲压发动机技 术必将得到较快发展和实际应用, 必将对军事、航天、国民 经济等产生深远影响
超燃冲压发动机主要由进气道、隔离段、燃烧室与尾喷管组成. 进气道的主要功能是捕获足够的空气, 并通过一系列激波系进行压缩, 为 燃烧室提供一定流量、温度、压力的气流, 便于燃烧的组织. 隔离段是位于进气道与燃烧室之间的等直通道, 其作用是消除燃烧室的 压力波动对进气道的影响, 实现进气道与燃烧室在不同工况下的良好匹配 . 当燃烧室着火后压力升高, 隔离段中会产生一系列激波串, 激波串的长度 和位臵会随着燃烧室反压的变化而变化. 当隔离段的长度足够时, 就能保 证燃烧室的压力波动不会影响进气道. 燃烧室是燃料喷注和燃烧的地方, 超燃冲压发动机中燃料可从壁面和支板 或喷油杆喷射. 超燃冲压发动机中的火焰稳定与亚燃冲压发动机不同, 它 不能采用V型槽等侵入式火焰稳定装臵,因为它们将带来巨大的阻力, 因此 目前普遍采用凹腔作为火焰稳定器. 尾喷管则是气流膨胀产生推力的地方.
高超声速进气道从构型上可以分为二维进气道、三维侧压进 气道、轴对称进气道和内转向进气道等, 这几种进气道形式 各有优缺点, 一般根据行器的具体形式选择合理的进气道形 式. 高超声速进气道的基本构型为一个收缩通道后接一等直 或微扩通道, 其基本工作原理是利用这一收缩通道将高超声 速来流压缩减速至较低马赫数.
革命性的动力系统
首先, 由于巡航飞行马赫数远远高于传统战斗机, 现有的吸气 式发动机已不再适用. 当马赫数高于3 时由于进气道激波产生 的压缩已经很强, 不再需要压气机,而应当采用冲压发动机; 而 当马赫数达到6 左右时, 气流的总温已达1500K以上, 传统的亚 声速燃烧冲压发动机效率大大降低; 而如果保持进入发动机 的气流为超声速, 在超声速气流中组织燃烧, 发动机仍能有效 地工作, 这就是超声速燃烧冲压发动机(scramjet-supersonic combustion ramjet, SSCR). 超燃冲压发动机在Ma6 以上的性能 远高于亚燃冲压发动机, 它能工作到Ma12 » Ma15 左右
冲压火箭发动机技术简介
1、冲压发动机是什么？
冲压发动机又称冲压式空气喷气发动机， 它是依靠高速迎面空气流的冲压增压作用进 行工作的空气喷气发动机。
基本组成： 进气道（又称扩压器） 燃烧室 燃料及其供给系统 推进喷管
2、冲压发动机的工作原理
对于不考虑动能和能量损失的理想冲压 发动机，其工作过程是一个等压加热过程， 满足布莱顿循环Brayton Cycle 。
2、冲压发动机的工作原理
冲压发动机的缺点： （1）冲压发动机不能自启动，使用冲压发动攻击
的飞行器必须要用助推器或者其他飞行器将其加 速到一定速度以后，才能有效率的工作； （2）当飞行速度较低时，发动机性能差，效率低；
（3）对飞行状态的改变十分敏感，当发动机稍稍离 开设计点时，性能将会迅速变差。故需要对其部 件进行调节。
RBCC发动机的优点
工作在火箭空气引射、冲压、超燃冲压和火箭推 进四种模态，对于地球至轨道的飞行全过程可以 提供很高的平均比冲。
与传统的火箭发动机相比，性能可提高约15%。 没有转动部件，可以满足更高速飞行的要求，且
可以适应大气层外的飞行。 对于火箭空气引射模态，还可以考虑采用脉冲爆
冲压发动机的理想热力 循环p-v图 1~2：等熵压缩过程 2~3：等压加热过程 3~4：等熵膨胀过程 4~1：工质在大气中冷却 使得循环得以封闭
2、冲压发动机的工作原理
发动机各部件在该热力循环中的作用：
（1）扩压器 高速气流经过扩压器，在尽 量减少各种损失的情况下，使得气体减速增 压，为在燃烧室进口处提供所需的速度场。 完成等熵压缩过程。
RBCC发动机（Rocket-Based Combined-Cycle)
RBCC的基本出发点是结合火箭的高推重比和吸气式 发动机的高比冲和高效率。
超燃冲压发动机
第四部分 各国进展---中国
《2012-2013航空科学技术学科发展报告》
第四部分 各国进展---中国
根据刘兴洲院士提出的设想，我国的高超声速技术的发展将分三 步走： 1.2020年前，研制出高超声速巡航导弹，最大速度6马赫，射程 1000~2000 km，可多平台装载； 2.2020~2030年，研制出高超声速飞机，巡航速度超过5马赫， 航程上万公里，实现1~2小时全球到达； 3.到本世纪中叶，在前两步的技术基础上研制出空天飞机，可重 复使用，跨大气层飞行，高空速度可达12~25马赫；能直接进入 地球轨道，完成任务后再入大气层滑翔、水平降落。
燃烧室的设计
燃烧室主要是燃料和气流混合的场所 要解决的关键问题是 在有限的空间 (米级) 、时间 (毫秒级 )内和在高速气流 (通常是超声速气流)中,实现燃料的喷射、雾化、蒸发、掺混、点火、稳定 燃烧,将化学能最大限度地转化为热能,有高的热效率和较小的压力损失，但 因为发动机总要逐渐增速。而在不同的速度下，气流在燃烧室内的速度不 同，对于点火等技术的要求也不同，而简单的串联不同的发动机不但增大
第二部分 主要类型—组合超燃
这种方案的M数范围是0~15甚至25,用于可在地面起降的有人驾驶 空天飞机。 已经研究过的组合式超燃冲压发动机类型:涡轮/亚燃/超燃冲压、 火箭/超燃冲压等。这种发动机将成为21世纪从地面起降的空天飞 机的动力。
第二部分 主要类型—组合超燃
第三部分
关键技术
第三部分 关键技术
涡轮风扇发动机
第一部分 技术概况
当空气速度达到 2马赫以上时，如果取消发动力内部的风扇涡 然而人类对速度的追求是疯狂的。对更快的发动机需 轮等设备，让气流直接进入发动机。然后通过调整发动机的 求之后，科学家们很快发现，当速度超越4马赫后， 构造（一般是缩小发动机的直径），发动机内部气流的压强 燃烧室内进入的气流速度迅速升高，变为超音速，此 就会自动上升，节省了压气机压气环节。一般只要空气降到 时发动机便会出现很多问题导致速度无法继续提升甚 音速之下就可以进入燃烧室和燃料混合点燃使用了，点燃后 至熄火，让气流在超音速下点燃产生稳定的推力，这 的空气压力由喷口喷出，产生强大的反推力，推动飞机或者 就是超燃冲压发动机技术。其中4-6马赫叫做亚燃冲 导弹向前飞机，这就是所谓的冲压发动机原理。
冲压发动机技术优秀课件
T02
26
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
s
0.96
突扩总压恢复系数
s p03 p 02
0.7 0
2.0
4.0 6.0 8.0 eA
s 1.0
0.7 0
0.2
0.4 0.6 0.8 l2
0.8 l4
ls
0
2.0 4.0 6.0 8.0 eA
0.3
T01
c pT01
1243.8 350
22
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
6.3 固体燃料冲压发动机
固体燃料冲压发动机是一种固体燃料与空气冲压过程浑然 一体的发动机。因此，结构上简单紧凑，效率高。
A3
空气 A2
再附着点
突扩燃烧室
补燃室
固体燃料冲压发动机示意图
23
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
5
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
空气进气道
固体火箭推进剂 可爆破进气口
弹头
冲压发动机燃料
整体式冲压发动机结构原理图
整体式火箭冲压发动机集
可抛掉的 火箭喷管 内衬
冲压发动机 喷管
成了火箭和火箭冲压发动 机，由火箭提供助推加速 到超声速2马赫数以上，然 后冲压发动机工作，其典
型部件为可爆破进气口、
后置四半锥形进气道和双下侧二元进气道
下颔式进气道
34
第六章 冲压推进技术
现代推进原理与进展
按空气流动马赫数分为亚声速进气道和超声速进气道。亚声速进气道 主要应用在民航飞机等亚声速飞行的飞行器上；超声速进气道主要应用在 超声速飞行的飞行器上。
超燃冲压发动机技术
推进技术本文2002206216收到,作者系中国航天科工集团三院31所高级工程师———超燃冲压发动机技术———刘小勇 摘 要 超燃冲压发动机是研究对应飞行马赫数大于6、以超声速燃烧为核心的冲压发动机技术。
它的应用背景是高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。
半个世纪以来,它的研究受到了美、俄、法等国的重视。
目前,超燃冲压发动机技术已经开始进行飞行演示验证。
21世纪,超燃冲压发动机技术必将得到较快发展和实际应用,必定会对未来的军事、政治、经济等产生深远影响。
主题词 冲压发动机 超声速燃烧 超燃冲压发动机 高超声速飞行器概述冲压发动机(ramjet )属于吸气式喷气发动机类,由进气道、燃烧室和尾喷管构成,没有压气机和涡轮等旋转部件,高速迎面气流经进气道减速增压,直接进入燃烧室与燃料混合燃烧,产生高温燃气经尾喷管膨胀加速后排出,从而产生推力。
它结构简单,造价低、易维护,超声速飞行时性能好,特别适宜在大气层或跨大气层中长时间超声速或高超声速动力续航飞行。
当冲压发动机燃烧室入口气流速度为亚声速时,燃烧主要在亚声速气流中进行,这类发动机称为亚燃冲压发动机,目前得到广泛应用;当冲压发动机燃烧室入口气流速度为超声速时,燃烧在超声速气流中开始进行,这类发动机称为超燃冲压发动机,目前得到了广泛研究。
亚燃冲压发动机一般应用于飞行马赫数低于6的飞行器,如超声速导弹和高空侦察机。
超燃冲压发动机一般应用于飞行马赫数高于6的飞行器,如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机。
超燃冲压发动机通常又可分为双模态冲压发动机(dual modle ramjet )和双燃烧室冲压发动机(dual combustor ramjet )。
双模态冲压发动机是指发动机根据不同的来流速度,其燃烧室分别工作于亚声速燃烧状态、超声速燃烧状态或超声速燃烧/亚声速燃烧/超声速燃烧状态。
对于这种发动机如果其几何固定,通常能够跨4个飞行马赫数工作,目前研究较多的是M ∞=3(4)～7(8)的双模态冲压发动机;双模态冲压发动机如果几何可调,则能够在更宽的马赫数范围内工作,如M ∞=2～12。
超燃冲压发动机
二是超燃冲压发动机的缺点是在静止状态下不能自行启动，须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工 作，且其低速性能不好。
研究人员在工作中进行了标准和并行的设计。如果SJX61－1工作的好，将保持现有的设计不变，但是，如果 性能比预想的差，将用SJX61－2做替代。
在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡，使发动机携带的燃料与燃烧所 需的燃料量相当是非常重要的。但是，在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需 的燃料量，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样，热的多余燃料必然堆积在发动机的某处， 这将有可能使飞行器的航程受影响。替代的方案是在低的速度下飞行，以减少达到正确热平衡的热负荷。
超燃冲压发动机的机体/发动机的一体化设计是非常复杂的技术，包括气动力一体化、结构设计一体化、燃料 供应和冷却系统设计一体化和调节控制设计一体化。
这两项技术是超燃冲压发动机的基本技术，由于高超声速推进系统极高的热负荷，因此需要耐高温的陶瓷基 复合材料、碳/碳复合材料，同时需要燃料在工作过程中完成许多部件的冷却任务。低温液氢是吸引人的燃料和冷 却剂，但它的密度太小，需要较大的容积。对于导弹来说，由于机动性和长时间储存要求，需要更合适的吸热燃 料。
发展历史
用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有50多年的历史。20世 纪90年代，，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到 马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心 等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。
超燃冲压发动机技术ppt课件
空天飞机
能够象普通飞机一样起飞, 以高超声速在大气层中飞行, 在 30km ～100km高空的飞行速度可达12～25 倍声速; 能够直接 加速进入地球轨道; 能安全返回并再入大气层, 象普通飞机一 样在大气层中滑翔并降落; 能够重复使用。 空天飞机(包括跨大气层飞机) 将作为反卫星武器平台、监视 和侦察平台、天基系统的支援平台, 在未来的空间控制和空 间战中将发挥重要作用: 迅速回收或更换与国家安全密切相 关的失效或失误的航天器(如卫星等) ;检查来历不明和可疑的 轨道飞行目标; 捕捉或摧毁不友好的航天器; 当航天器观察到 地面或空间出现严重事件时, 可用空天飞机迅速查明情况, 救 援处于困境或生病的宇航员或使他们摆脱困境。
超燃冲压发动机 技术
超燃冲压发动机技术
高超声速飞行器是指以吸气式及其组合式发动机 为动力, 在大气层内或跨大气层以Ma5 以上的速 度远程巡航飞行的飞行器. 高超声速飞行器主要 在临近空间, 以Ma6 » Ma15 的高速度巡航飞行, 其 巡航飞行速度、高度数倍于现有的飞机;同时由于 采用吸气式发动机, 其燃料比冲远高于传统火箭 发动机, 而且能实现水平起降与可重复使用, 因此 空间运输成本将大大降低. 高超声速飞行器技术 的发展将导致高超声速巡航导弹、高超声速飞机 和空天飞机等新型飞行器的出现, 成为人类继发 明飞机、突破音障、进入太空之后又一个划时代 的里程碑.
革命性的动力系统
首先, 由于巡航飞行马赫数远远高于传统战斗机, 现有的吸气 式发动机已不再适用. 当马赫数高于3 时由于进气道激波产生 的压缩已经很强, 不再需要压气机,而应当采用冲压发动机; 而 当马赫数达到6 左右时, 气流的总温已达1500K以上, 传统的亚 声速燃烧冲压发动机效率大大降低; 而如果保持进入发动机 的气流为超声速, 在超声速气流中组织燃烧, 发动机仍能有效 地工作, 这就是超声速燃烧冲压发动机(scramjet-supersonic combustion ramjet, SSCR). 超燃冲压发动机在Ma6 以上的性能 远高于亚燃冲压发动机, 它能工作到Ma12 » Ma15 左右
超燃冲压发动机的热防护技术
中国矿业大学电力工程学院制冷设备技术进展报告姓名：班级：学号：超燃冲压发动机的热防护技术摘要热防护技术是发展高超音速的关键技术之一。
本文综合近年来高超音速飞行器中发动机的冷却方式的进展，对超燃冲压发动机的热防护技术进行简单介绍，并对未来有应用趋势的技术简述。
关键字：超燃冲压再生冷却闭式循环飞行速度超过5倍声音速度的叫做“高超声速飞行器”[1]。
高超声速飞行器有两大类，一类是在稠密大气层中较长时间飞行的“高超声速巡航飞行器”，主要有目前尚在研究发展阶段的，以超声速燃烧冲压发动机为动力的“空天飞机”和“高超声速巡航导弹”等；另一类是由火箭发动机发射到外层空间再返回地球的“再入航天器”(包括弹道式中远程导弹弹头，返回式卫星，宇宙飞船和航天飞机等)。
超燃冲压发动机是高超声速飞行的理想动力装置，结构简单、质量轻、成本低、易维护、超声速飞行时性能好，具有高比冲、高速度和大巡航推力的特性，适宜在大气层或跨大气层中长时间超声速或高超声速动力续航飞行[2]。
但是由于其工作环境极其恶劣，一般在高马赫数下飞行，飞行过程中高温空气不断向壁面传热，为了保证发动机长时间安全正常运行，维持适宜的电子元器件工作环境，所以研究超燃冲压发动机的热防护技术十分必要[3]。
超燃冲压发动机的热防护技术按原理和冷却方式分为三种：被动式、半被动式和主动式。
被动式是指采用轻质的耐烧蚀隔热材料对冷却结构进行热防护，热量被吸收或者是直接辐射出去；主动式是指利用低温冷却介质进行防护，全部热量或绝大部分被工作介质带走，主要包括发散冷却、对流冷却和气膜冷却；半被动式是指大部分热量由工作流体带走，主要有两种结构方式，热管理结构和烧蚀结构。
被动式涉及的防护与材料联系及其密切，局限性就是防护时间不宜过长，不涉及我们制冷原理。
半被动式适用于高热流长时间使用要求，有图1，热量被工作介质由高温区传至低温区，通过对流和辐射进行冷却放热。
图11.主动式：主动式中对流冷却方式应用于主体发动机喷管，如图2所示，主要是通过热量传递给冷却介质、冷却介质受热带走热量而达到冷却效果的。
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❖ 超燃冲压发动机技术涉及到大量基础和应用科学问题, 是高 难度的高新技术。从高超声速技术发展来看高超声速技术飞 行距离实际应用还有些距离。但是, 由于高超声速巡航导弹 和空天飞机等需求的牵引, 越来越多的国家和地区仍在持续 进行超燃冲压发动机技术研究。21 世纪, 超燃冲压发动机技 术必将得到较快发展和实际应用, 必将对军事、航天、国民 经济等产生深远影响
❖ 高超声速战斗机配挂防区外攻击武器, 以高空、高速进入 或退出目标区, 或战斗机配挂高超声速防区外攻击武器, 利用 武器的高超声速实施突防、攻击, 都必将大大提高航空武器 系统的突防概率、作战生存力和作战效能。当然, 高超声速 战斗机配挂高超声速巡航导弹则更是如虎添翼
❖ 超燃冲压发动机技术进一步发展还可能用在洲际飞机上, 这
❖ 超燃冲压发动机
冲压发动机是吸气式发动机的一种, 它利用大气中的氧气作 为全部或部分的氧化剂, 与自身携带的燃料进行反应. 与压气 机增压的航空发动机不同, 它利用结构部件产生激波来对高 速气流进行压缩, 实现气流减速与增压, 整体结构相对简单. 其工作原理是首先通过进气道将高速气流减速增压, 在燃烧 室内空气与燃料发生化学反应, 通过燃烧将化学能转变为气 体的内能. 最终气体经过喷管膨胀加速, 排入大气中, 此时喷 管出口的气体速度要高于进气道入口的速度, 因此就产生了 向前的推力
革命性的动力系统
❖ 首先, 由于巡航飞行马赫数远远高于传统战斗机, 现有的吸气 式发动机已不再适用. 当马赫数高于3 时由于进气道激波产生 的压缩已经很强, 不再需要压气机,而应当采用冲压发动机; 而 当马赫数达到6 左右时, 气流的总温已达1500K以上, 传统的亚 声速燃烧冲压发动机效率大大降低; 而如果保持进入发动机 的气流为超声速, 在超声速气流中组织燃烧, 发动机仍能有效 地工作, 这就是超声速燃烧冲压发动机(scramjet-supersonic combustion ramjet, SSCR). 超燃冲压发动机在Ma6 以上的性能 远高于亚燃冲压发动机, 它能工作到Ma12 » Ma15 左右
❖ 高超声速飞机
高超声速飞机在实时侦察、远程快速部署和精确打击方面 具有明显的军事价值。高超声速飞机实施实时侦察有独特的 优越性。目前, 各国主要依靠卫星和常规侦察机执行侦察任 务, 这两种侦察手段均有局限性, 特别是在对一些重大突发事 件的实时侦Байду номын сангаас方面存在明显不足。高超声速飞机具有突防能 力强, 被拦截概率小, 能深入敌纵深进行侦察的特点。
超燃冲压发动机的应用背景
❖ 1.高超声速巡航导弹
具有快速反应能力、相当高的突防概率、具有很强的穿透 力。凭借其高速度, 在很短时间(不超过10min)内就能够打击 近千千米以外的目标。美国发展巡航导弹的重要目标就是增 强快速反应与打击能力, 尤其是打击机动目标, 如导弹发射架 、航空母舰等高价值机动目标。高超声速巡航导弹能有效地 遏制地基、机载、舰载预警及武器系统整体功能的发挥。在 满足命中精度要求的条件下, 高超声速巡航导弹的巨大动能 能有效地提高对加固目标(包括深埋地下目标) 等目标的毁伤 概率
空天飞机(包括跨大气层飞机) 将作为反卫星武器平台、监视 和侦察平台、天基系统的支援平台, 在未来的空间控制和空 间战中将发挥重要作用: 迅速回收或更换与国家安全密切相 关的失效或失误的航天器(如卫星等) ;检查来历不明和可疑的 轨道飞行目标; 捕捉或摧毁不友好的航天器; 当航天器观察到 地面或空间出现严重事件时, 可用空天飞机迅速查明情况, 救 援处于困境或生病的宇航员或使他们摆脱困境。
❖ 传统的冲压发动机首先通过进气道将来流速度滞止为Ma0.3 以下的低速气流, 然后在气流中喷注燃料、组织燃烧, 称之为 亚燃冲压发动机.
❖ 当飞行器速度高于Ma5 以上时, 将气流速度降至低速将导致 燃烧室入口气流静温急剧升高, 对发动机结构设计与热防护 等方面造成了极大的困难;同时, 高静温也会导致煤油分解, 热 量无法加入,发动机不能产生推力; 另一方面, 将高超声速气流 压缩到低速将产生很大的激波损失, 降低推力性能, 因此亚燃 冲压发动机的应用受到了严重制约.为避免燃烧室入口高静温 来流所带来的诸多问题,超燃冲压发动机让气流以超声速进入 燃烧室, 在超声速气流中组织燃烧, 来流静温、静压和总压损 失大大降低, 因而可以实现较高的性能, 成为大气层内高超声 速飞行的理想动力装置, 在Ma > 8 时是唯一可用的吸气式动 力装置.
❖ 1.它可以利用大气中的氧气做为氧化剂，所以冲压发动机在 高超声速飞行时，经济性能显著优于涡喷发动机和火箭发动 机；发动机内部没有转动部件，结构简单，质量小，成本低 ，推重比高。
❖ 2.冲压发动机也有某些缺点：不能自身起动，需要助推器加 速到一定速度才可工作，但这个缺点并不突出；对飞行状态 的改变较敏感，当在宽马赫数范围内飞行时，要对进气道进 行调节，这样使得进气道结构复杂。
超燃冲压发动机技术
高超声速飞行器是指以吸气式及其组合式发动机
为动力, 在大气层内或跨大气层以Ma5 以上的速
度远程巡航飞行的飞行器. 高超声速飞行器主要
在临近空间, 以Ma6 » Ma15 的高速度巡航飞行, 其
巡航飞行速度、高度数倍于现有的飞机;同时由于 采用吸气式发动机, 其燃料比冲远高于传统火箭 发动机, 而且能实现水平起降与可重复使用, 因此 空间运输成本将大大降低. 高超声速飞行器技术 的发展将导致高超声速巡航导弹、高超声速飞机 和空天飞机等新型飞行器的出现, 成为人类继发 明飞机、突破音障、进入太空之后又一个划时代 的里程碑.
种洲际飞机飞行速度约为Ma =5～6 , 航程达数万公里, 各大洲
之间约2h 即可到达, 有很大的潜在市场。
❖ 空天飞机
能够象普通飞机一样起飞, 以高超声速在大气层中飞行, 在 30km ～100km高空的飞行速度可达12～25 倍声速; 能够直接 加速进入地球轨道; 能安全返回并再入大气层, 象普通飞机一 样在大气层中滑翔并降落; 能够重复使用。
❖ 过程H--2为绝热压缩, 在进气道中实现; 2--3 为等压加热, 在燃 烧室中进行; 3--4 为绝热膨胀, 在尾喷管中完成; 4--H 为工质 在大气中冷却的过程. 在实际工作工程中, 由于存在多种因素 导致的流动与热量损失, 冲压发动机的实际工作效率会低于 布莱顿循环的效率.
理想的冲压发动机的工作循环示意图