冲压发动机

风洞中的美国 X-51 超声速燃烧冲压发动机 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航空发动机。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。冲压发动机结构简单，重量轻，成本低。在飞行马赫数大 于 3 的条件下使用,有较高的经济性。它的缺点是不能自行起动，须用其他发动机作为助推器， 俟飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。它一般使用煤油做为燃料。推力的产生与涡轮喷 气发动机一样，是由于高速排气所产生的反作用力。其情况是：当飞机运动时，空气流以高速 冲进发动机中，于是空气速度就下降，压力便上升。当压力刚刚达到最大值时，就由喷油嘴喷 射燃料(煤油)，开始燃烧，使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大，然后这种炙热的 空气与燃烧产物相混合的气体，便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。喷气流的速度比进口 的空气速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飞机运动。气流喷出速度愈大，推力也就愈 大。
这种发动机燃烧在超音速下进行，使用烃类燃料或液氢燃料，飞行马赫数高达 5～16，目 前高超音速冲压发动机正处于研制之中。 超音速燃烧冲压发动机是一种以超音速燃烧为特色 的冲压发动机,在高速时，需要超音速燃烧来保证较高的燃料利用率。（简称超燃冲压发动机） 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。（这种发动机运用的代表有美国的 X-43A、 X-51A“乘波者”高超音速试验机）
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。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。
工作原理 冲压发动机只有三个主要部件——扩压器，燃烧室和尾喷管。虽然它只由很简单的三个管 道形的部件构成，但是它可以发出非常大的推力，并且推力随飞行速度的增大而迅速增大。例 如，一个横截面只有 1 平方公尺的冲压发动机在 11 公里高空，以速度为 3.5 倍音速飞行时 (M=3.5)，可以产生推力大约是 30，000 公斤(即 30 吨)。这时它推进的功率达到 414，000 匹 马力，这相当于 200 个火车头的功率。若是在低空飞行，由于空气密度大功率还要增加。这样 一台发动机有多重呢？最多不会超过 1 吨。从这里可以看到它强大的工作能力。
尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超音速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完 成从起飞到高超音速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念，这种方案的马赫数范 围是 0－15，用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。国外已经研究过的组合式超燃冲压发动 机主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这种组合发动机可能成为 21 世纪从地面起降的 可重复使用的空天飞机的动力。[1]
2 原理
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。 3 工作程序
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。
6 发展前景
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。
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。
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到 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
同年末，X－43A 超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数 9.6 的记录。美国空军正在试 图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢 燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。
超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取 氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生 4 倍于 火箭的推力。经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员 计划在 2007 年、2008 年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在 2009 年展开一系列突破技 术屏障的飞行试验。
冲压发动机
冲压喷气式发动机(简称冲压发动机)是一种构造非常简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行 的空气喷气发动机。
1 概述
冲压发动机即冲压喷气发动机。 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。
由于它具有这种优良的特点——推力大、重量轻，因此非常适合于高空高速飞行。目前的 最高速度约为 4 倍音速(相当于 4400 公里/小时)，高度可达 30 公里以上。但这数值还不是它 的极限，估计以后它的飞行高度、速度还要进一步提高。
4 分类
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
5 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。
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。
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）。
美国超燃冲压发动机
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。
目前，国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃 烧室冲压发动机。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。当发动机飞行 M 数大于 6 时，实现超音速燃烧，当马赫数低于 6 时。实现亚音速燃 烧。目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，NASA 正在进行飞行试验的就是这种类 型的发动机。亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入 亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流发动机制动原理进入超音速燃烧室。这种发动机适用于 巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。