2004 国外超燃冲压发动机技术的发展-胡晓煜

国外超燃冲压发动机技术的发展

2004-10-25

高超声速飞行器（飞行M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，是目前世界各国竞相发展的热点领域之一。

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，超燃冲压发动机技术取得了重大突破，目前已从概念和原理探索阶段进入了以飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。预计，到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速轰炸机和空天飞机将有可能投入使用。

本文将首先介绍超燃冲压发动机的基本概念、主要类型和性能特点，然后对各国超燃冲压发动机技术的研究进展和研究计划进行介绍，最后指出发展超燃冲压发动机的关键技术。

超燃冲压发动机的基本概念与主要特点

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞

行M数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行M数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道被扩压到较低超声速，然后燃料从壁面和/或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。

超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、比冲（单位质量流量推进剂产生的推力）高和速度快的优点。与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂，因此，有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。

超燃冲压发动机的主要类型

经过多年的发展，国外已研究设计过多种超燃冲压发动机的方案。主要包括普通超燃冲压发动机、亚燃/超燃双模态冲压发动机、亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机、吸气式预燃室超燃冲压发动机、引射超燃冲压发动机、整体式火箭液体超燃冲压发动机、固体双模态冲压发动机和超燃组合发动机等。其中，双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机是研究最多的两种类型。

（1）亚燃/超燃双模态冲压发动机

亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。当发动机的飞行M数低于6时，在超燃冲压发动机的进气道内产生正激波，实现亚声速燃烧；当M数大于6时，实现超声速燃烧，使超燃冲压发动机的M数下限降到3，扩展了超燃冲压发动机的工作范围。

目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，俄罗斯多次飞行试验的超燃冲压发动机就是这种类型的发动机。NASA即将进行飞行试验的也是这种类型的发动机。这种超燃冲压发动机可用于高超声速的巡航导弹、无人驾驶飞机和有人驾驶飞机。

（2）亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机

对于采用碳氢燃料的超燃冲压发动机来说，当发动机在M3~4.5范围工作时，会发生燃料不易着火的问题。为解决这一问题，人们提出了亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机概念。这种发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚声速燃烧室，另一部分引导其余来流进入超声速燃烧室。突扩的亚声速燃烧室起超燃燃烧室点火源的作用，使低M数下燃料的热量得以有效释放。由于亚燃预燃室以富油方式工作，不存在亚燃冲压在贫油条件下的燃烧室-进气道不稳定性。这种方案技术风险小，发展费用较低，较适合巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。目前，掌握该技术的主要是美国霍布金斯大学的应用物理实验室。

（3）超燃组合发动机

尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超声速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超声速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念。早在50年代对超燃冲压概念进行论证时，人们就提出了以超燃冲压为主的组合式动力的方案。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。至今，已经研究过的组合式超燃冲压发动机类型很多，包括涡轮/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。

国外超燃冲压发动机的发展

从20世纪50年代人们就开始研究超燃冲压发动机，最初的应用目标是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开始，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展M数4~8、射程1000千米以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M数3~8的双模态超燃冲压发动机已结束地面试验验证，进行了飞行试验。预计，到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。

（1）俄罗斯

俄罗斯从60年代开始研究超燃冲压发动机，目标是M数5~7的民用运输机、单级入轨航天飞机和高超声速巡航导弹。

俄罗斯中央航空发动机研究院是超燃冲压发动机的权威研究单位，20世纪80年代，该研究院与中央空气流体动力研究所等单位合作进行了"冷"高超音速技术发展计划，主要研究试验用矩形和轴对称双模态超燃冲压发动机。1991~1998年，共进行了5次超燃冲压发动机的验证性飞行试验，飞行M数最高 6.5，发动机使用的是氢燃料。其中第二、三次与法国合作，第四、五次与美国合作。据称第二次是最成功的，获得的数据最全。目前，该研究院正在进行速度为 6~7倍声速的高超声速飞行器用超燃冲压发动机的技术研究，应用目标是军民用高超声速飞行器。

目前，该研究院正在研制高超声速有翼飞行器，采用3台超燃冲压发动机。该项目目前还处在基础研究阶段，其缩比模型已进行了风洞试验。

中央航空流体动力研究所是俄罗斯重要的超燃冲压发动机技术研究机构。目前，该研究所正与俄彩虹设计局及德国一些部门合作进行导弹用M数5~7的超燃冲压发动机的研究，这种发动机的进气道呈三级斜面形状，目前已经进行了连接式和自由射流式试验，今后将进行飞行试验。同时，该机构将为俄罗斯空间局（RSA）的一项飞行试验计划（"鹰"计划）研制M数6~14、氢燃料、双模态的超燃冲压发动机。该计划将发展一种

与NASA的Hyper-X相似的机体 /发动机一体化的高超声速试验飞行器，发动机由三个模块组成，进气道的喷管位于机体下方。目前还未找到合作伙伴。

"联盟"航空发动机科研生产联合体是俄航空发动机的重要研制单位，近年来，除为中央航空发动机研究院试制轴对称超燃冲压发动机外，还独立开发试验发动机，该单位设计了M数5~6的双模态冲压发动机，计划在导弹改装的试飞器上进行飞行试验。

（2）美国

美国是开展超燃冲压发动机技术研究较早的国家，目前NASA、空军和海军都有自己的发展计划。

NASA从1965年开始研究超燃冲压发动机技术，目标是有人驾驶飞行器和单级入轨飞行器的动力。1996年，美国NASA在历时8年、耗资30亿美元的 NASP（国家空天飞机）计划被终止之后，又开始实施投资1.7亿美元的高超声速飞行器试验计划（Hyper-X），研究用于高超声速飞行器（M数10）和其他可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机与一体化设计技术。

该计划将对3架无人驾驶研究机X-43进行飞行试验，发动机采用氢燃料的双模态冲压发动机，机身和发动机采用一体化设计。X-43A的第1次飞行试验是在2001年6月，不过，试飞以失败告终。2004年3月27日，X-43A在第2次飞行试验中成功地达到M数7的速度，成为世界上飞行速度最快的以空气喷气发动机为动力装置的飞行器。预计，2004年9月或10月，该计划将进行最后一次M数10的飞行试验。