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冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?[含14P]

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    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    航空发动机分很多很多种,而目前,有一种发动机,它难度最大,诱惑最大以至于各航空大国竞相追逐,它就是冲压发动机。这种发动机跟别的发动机相比,优点在哪里?困难又何在?

    冲压发动机的原理

    现在的战机,大都是使用涡扇发动机,它的原理军迷们都很熟悉。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    涡扇发动机基本原理图



    涡扇发动机的基本原理就是,通过前面的风扇和压气机压缩空气,然后在燃烧室里面混入燃料燃烧以提供推力。客机或运输机使用高涵道比的涡扇发动机,而低涵道比的涡扇发动机用在战机上。

    涡扇发动机是目前航空发动机的主流,然而人类的追求无止境,而涡扇发动机的性能现在基本上已是极限,想要再进步一点都变得很难很难,付出的代价巨大。

    为此,各航空大国在把精力放在涡扇发动机上的同时,也在追求更有效率的发动机,可怎样才能提高效率呢?

    很简单,咱们来看涡扇发动机,为了得到高压的致密空气,发动机前端有风扇和压气机,要是把这两个去掉后还能得到高压的空气,那效率肯定没得说,如何实现?

    用速度来实现!

    不难理解,飞行器飞得越快,迎面而来的空气就越快,当快到几倍音速时,空气自然就得到了压缩。这样的高压空气直接进入发动机的燃烧室,再混入燃油,剧烈燃料并向后高速喷出,就得到了动力。这就是冲压发动机的原理。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    冲压发动机简单原理图



    显然,冲压发动机直接去掉了涡扇发动机中的风扇和压气机,连同后面的涡轮也去掉了,这结构真是太完美了。它内部几乎没有活动的部分,高速气流从前端进气口进入发动机之后,利用发动机涵道截面积的变化,让高速气流降低速度,从而提高气体压力,接着压缩过后的气体进入燃烧室,与燃料混合之后燃烧,向后喷出从而提供推力。

    看到这里,不少人可能会纳闷,为什么要把高速气流减速,气流速度减少后,应该是压力变小呀。

    跟大家想的相反,根据伯努利原理,气流速度越大压力反而越小。比如下图:


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    飞机的机翼,下方的气流速度慢,压强大,上方的压强小,这产生一个压力差从而托举了飞机



    由于内部少有活动组件,冲压发动机与其他传统的喷气发动机比较起来,重量变轻,结构简单,在几倍超音速飞行时,它的效率很高,大幅压过其他发动机。也正因此,它常用在各种导弹上。比如我国的 C301 岸舰导弹和前苏联的萨姆-6防空导弹,以及欧洲多国共同研制的“流星式主动雷达制导超视距作战空对空导弹”等等。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    我国的C301岸舰导弹


    C301岸舰导弹发射时,固体助推器先点火,使导弹起飞、加速、爬高,当速度达到冲压发动机启动所需要的速度时,冲压发动机点火,继续向前飞行。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    法国阵风战机上的流星式空对空导弹



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    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    流星式空对空导弹


    流星式空对空导弹由多国集团MBDA公司研发,性能卓越,能够在高电子干扰环境下提供对远距离空中目标的打击能力。未来它将装备英国皇家空军、德国空军、西班牙空军、意大利空军的台风战斗机,以及英国和意大利装备的F-35战斗机等。其装配的冲压发动机可让它的速度超过4马赫。

    冲压发动机的难点和弱点

    虽然冲压发动机在某些情况下效率很高,结构也很轻巧,然而,它的弱点也很突出。从上面对导弹的介绍可以看出,冲压发动机需要达到一定速度后才能开启。低速时,没有了前方的高速气流来压缩空气,冲压发动机便会失效。这也是为什么,美国的高超音速(也叫极音速)飞行器X-43A在飞行时,一般是把其绑在飞马座火箭上,再由B-52同温层堡垒式轰炸机运往高空释放。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    2001年6月2日进行的第一次试飞中,由“B-52同温层堡垒式轰炸机”改装而来的“NB-52B”母机将X-43A抛出瞬间,画面中,X-43A身后的飞马座火箭尚未点火。



    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    前方的黑色部分为X-43A,而后方的白色部分为飞马座火箭。



    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    图为地面机务人员在把X-43A安装在飞马座助推火箭上。



    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    图为2004年3月27日,X-43A试飞时,其身后的飞马助推器点火加速瞬间。



    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    图为在X-43A飞行器的全尺寸模型正在进行高温风洞的试验。


    X-43A总共进行了3次试飞,其在最后一次试飞中,X-43A在最后短暂的冲刺之后做出接近9.8马赫(大约为1.12万公里/小时)的超高速飞行,飞到离地表超过35公里高的高空。这次的飞行,也是NB-52B母机服务于NASA四十年后,最后一次担任母机任务。

    需要说明的是,X-43A使用的发动机是“超燃冲压发动机”,这种发动机是“冲压发动机”的升级版。两者的区别是,超音速气流进入冲压发动机时,在进入燃烧室之前,需要经过适当的导流减速到次音速,也就是说,冲压发动机燃烧室里面的气流是亚音速状态。而超燃冲压发动机的进气可以一直保持在超音速状态,因此可达到更高的飞行速度。在难度上,超燃冲压发动机显然高于冲压发动机。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    上图中的(a)代表传统的涡轮喷气发动机,可以看到,它的结构很复杂;而(b)代表冲压发动机;(c)表示超燃冲压发动机。


    说了冲压发动机的弱点,咱们再来看看它的难点。它的难点很多,而一个很容易被大家想象的难点是:如何实现稳定的燃烧?

    冲压发动机还好一些,毕竟燃烧室内是在亚音速状态,而超燃冲压发动机就难了,燃烧室内的气流是超音速,这带来一个问题,气流在燃烧室停留的时间非常短,仅为毫秒级,在这种情况下,要想成功点火并实现稳定的燃烧,难度真的很大,以至于有人比这种难度比喻为“在龙卷风中点燃一根火柴”。

    并非不可克服

    说了冲压发动机的弱点和难点,看似难以解决,其实不尽然。在如何实现成功点火和持续稳定燃烧上,技术一直在进步,总有一天,它会走向成熟。而冲压发动机的弱点,即需要很高的速度下才能启动,看似难以解决,其实早有先例。这就是黑鸟SR-71侦察机的发动机J-58。


    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?

    冲压发动机的难度就像在龙卷风中点燃一根火柴?
    黑鸟上的发动机J-58。


    J-58可以归类到混合喷气发动机,本质上就是一具冲压发动机和一具涡轮喷气发动机的结合体。当黑鸟达到一定速度时,其冲压发动机开始工作,最终把黑鸟推向3马赫以上的高速。

    黑鸟飞机的设计者凯利·约翰逊有一次向普惠公司的朋友开玩笑说,发动机只提供了飞行所需推力的17%,而我们自己的进气道和喷管提供了余下的部分。


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