高超聲速飛行器動力系統(tǒng)研究進(jìn)展

王琛

【摘 要】我國科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展趨勢，在對高超聲速飛行器動力系統(tǒng)方面進(jìn)行的研究取得了較大成績。本文將對高超聲速飛行器動力系統(tǒng)進(jìn)行研究，并介紹一些較為典型的高超聲速吸氣式發(fā)動機(jī)，然后簡要闡述該系統(tǒng)的特點(diǎn)、工作原理以及組成，希望通過本文的闡述可以對相關(guān)人員的研究起到一定借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】高超聲速飛行器；動力系統(tǒng)；研究進(jìn)展

一、概述

如果飛行器使用超高音速進(jìn)行飛行，它們發(fā)動機(jī)的動力形式是以吸氣式或者組合式為主。一般情況下，飛行器在跨大氣層、大氣層飛行時，它們的飛行速度不會超過Ma5的速度，以這個速度作遠(yuǎn)程巡航飛行。高超聲速飛行器飛行在大氣層、跨大氣層時，飛行速度會超過Ma6至Ma15之間，該飛行器使用的飛行速度比飛機(jī)還要快。此外，吸氣式作為高超聲速飛行器的發(fā)動機(jī)動力形式，這與火箭相比具有更高的比沖，并可以將其進(jìn)行重復(fù)使用，這在一定程度上使空間運(yùn)輸成本得以降低。高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展帶動了高端的高超聲速巡航導(dǎo)彈、空天飛機(jī)等尖端飛行器的出現(xiàn)。隨著高超音速飛行器的推進(jìn)、發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了人們進(jìn)入太空的夢想。

二、高超聲速飛行器動力系統(tǒng)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，動力系統(tǒng)也在發(fā)生不斷改變，相關(guān)專家不斷對高超聲速飛行器的優(yōu)勢進(jìn)行研究，并對該飛行器進(jìn)行不斷完善。如果高超音速的飛行器飛行速度達(dá)到了3馬赫以上，會出現(xiàn)較強(qiáng)壓縮情況，該情況是由于氣道激波所導(dǎo)致的，這時的壓氣機(jī)已經(jīng)不能滿足飛行要求，就需要使用沖壓發(fā)動機(jī)。如果巡航飛行速度在6馬赫以上，氣流的溫度就會逐漸增加，這時傳統(tǒng)的亞聲速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)的工作效率難以達(dá)到要求，使用組合循環(huán)發(fā)動機(jī)就可以維持正常的工作效率。可見，要想使超燃沖壓發(fā)動機(jī)得以正常工作，就要對發(fā)動機(jī)的速度進(jìn)行保障，如果飛行速度在Ma4至Ma6時，會使發(fā)動機(jī)的工作效率受到影響，當(dāng)飛行速度低于Ma4時，發(fā)動機(jī)就會處于癱瘓狀態(tài)。要想讓飛行器能夠更加自由的進(jìn)行水平起降，同時可以進(jìn)行多次使用，就需要對組合循環(huán)動力系統(tǒng)的有效性進(jìn)行保障。此外，可以利用爆震燃燒自身的優(yōu)點(diǎn)，比如燃燒反應(yīng)快、距離短、高熱力循環(huán)效率等，這些優(yōu)點(diǎn)增加了燃燒發(fā)動機(jī)使用爆震的可能性，因此可以將其應(yīng)用在高超聲速飛行器上。

三、典型發(fā)動機(jī)基本原理、系統(tǒng)組成

1.爆震發(fā)動機(jī)

（1）連續(xù)爆震發(fā)動機(jī)

螺旋爆震是爆震燃燒的形式之一，由于爆震波傳播方向與來流的方向是垂直的，所以它是通過橫向爆震波燃燒，其形成的爆震結(jié)構(gòu)沒有明顯的三波點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這與其它爆震波相差很大。

于脈沖爆震發(fā)動機(jī)而言，螺旋爆震發(fā)動機(jī)中的爆震波基本上都是處于連續(xù)工作的狀態(tài)，所以這種發(fā)動機(jī)被稱為連續(xù)爆震發(fā)動機(jī)。

（2）脈沖爆震發(fā)動機(jī)

該發(fā)動機(jī)的理念是最受關(guān)注的，這種發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)相對簡單，其主要結(jié)構(gòu)為推力噴管、爆震管。依據(jù)脈沖爆震發(fā)動機(jī)的工作特點(diǎn)，可以將其工作分為三個過程，分別是充氣、爆震以及排氣，這三個過程是循環(huán)開展工作的。該發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程為：將進(jìn)氣閥門打開，給爆震管充入相應(yīng)的混合氣體。該發(fā)動機(jī)的爆震過程為：當(dāng)可燃混合氣體的充入達(dá)到要求時，就是可燃?xì)怏w的接觸間斷已經(jīng)達(dá)到了相應(yīng)的位置，這時就可以將進(jìn)氣閥門關(guān)閉，并觸發(fā)相應(yīng)的點(diǎn)火裝置，使混合氣體點(diǎn)燃并迅速形成穩(wěn)定爆震向右傳播。該發(fā)動機(jī)的排氣過程：該過程主要是通過爆震波在推力噴管處誘導(dǎo)的稀疏波來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)爆震管內(nèi)的壓力降到了一定范圍內(nèi)，進(jìn)氣閥就會開啟，然后開始重復(fù)下一個進(jìn)氣過程。

由于PDE在經(jīng)過爆燃向爆震轉(zhuǎn)變后變成了爆震燃燒模式，這種模式下的熱力循環(huán)效率比較高，這比吸氣推進(jìn)裝置的熱效率更高，并且這種結(jié)構(gòu)相對簡單。

脈沖爆震發(fā)動機(jī)工作的適用范圍比較廣，不但可以進(jìn)行單獨(dú)使用，還可以與渦扇發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)以及火箭發(fā)動機(jī)等組合成混合發(fā)動機(jī)。渦扇發(fā)動機(jī)與脈沖發(fā)動機(jī)相結(jié)合可以組成混合式脈沖爆震發(fā)動機(jī)，在渦扇發(fā)動機(jī)的外涵道上布置爆震管，爆震管會依次工作，并產(chǎn)生相應(yīng)的推力，這兩者相結(jié)合可以增大渦扇發(fā)動機(jī)的推力，進(jìn)而使油耗得以降低，同時使尾氣中氮氧化合物的排放得以降低。

2.超燃沖壓發(fā)動機(jī)

沖壓發(fā)動機(jī)是吸氣式發(fā)動機(jī)中的一種，它主要以大氣中的氧氣作為氧化劑，通過氧化劑與自身攜帶的燃料進(jìn)行反應(yīng)。該發(fā)動機(jī)與壓氣機(jī)增壓的航空發(fā)動機(jī)存在較大區(qū)別，其對高速氣流進(jìn)行壓縮主要是通過利用結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生激波來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而使氣流增壓、減速得以實(shí)現(xiàn)。沖壓發(fā)動機(jī)的工作原理是：高速氣流減速增壓通過進(jìn)氣道來完成，空氣、燃料在燃燒室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后經(jīng)過燃燒將化學(xué)能變?yōu)闅怏w的內(nèi)能，最終氣體經(jīng)過噴管膨脹加速，然后將沒有用的氣體排入大氣中，這時噴管出口的氣體速度明顯要高于進(jìn)氣道入口的速度，致使發(fā)動機(jī)向前的推力得以產(chǎn)生。

傳統(tǒng)的沖壓發(fā)動機(jī)先要通過進(jìn)氣道來降低氣體進(jìn)入的流速，將流速降低在控制范圍之內(nèi)，然后在氣體中噴注燃料、組織燃燒，這樣的發(fā)動機(jī)被稱為亞燃沖壓發(fā)動機(jī)。當(dāng)飛行器的飛行速度大于Ma5時，就需要對氣流的速度進(jìn)行控制，如果沒有控制好氣流速度，就可能導(dǎo)致燃燒室入口氣流靜溫迅速上升，這就會給熱防護(hù)、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成一定困難；此外，如果發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了高靜溫，就可能使煤油分解，致使熱量無法加入，發(fā)動機(jī)也就不能產(chǎn)生推力；如果高超聲速氣流壓縮到低速就會產(chǎn)生一定的激波損失，進(jìn)而使推力性能得以降低，這些因素影響了亞燃沖壓發(fā)動機(jī)的應(yīng)用。為了有效的解決以上問題，超燃沖壓發(fā)動機(jī)讓氣流以超聲速進(jìn)入燃燒室，在超聲速氣流中組織燃燒，通過這樣的方式降低來流靜壓、靜溫以及總壓損失，進(jìn)而使發(fā)動機(jī)的高性能得以實(shí)現(xiàn)，使該裝置被廣泛的應(yīng)用在高超聲速飛行器中。

四、動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

高超聲速飛行器與傳統(tǒng)的航空、航行動力系統(tǒng)相比，其動力系統(tǒng)的設(shè)置原理與它們存在較大區(qū)別，該飛行器在傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，并且在其中加入了大量的原創(chuàng)技術(shù)。要想使高超聲速飛行器得到更好的應(yīng)用，就需要對動力系統(tǒng)中難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，進(jìn)而制定出有效的解決措施。

于動力系統(tǒng)方面而言，會遇到諸多難點(diǎn)，比如如何完成高效進(jìn)氣和壓縮、高效混合與燃燒等。相關(guān)人員需要對這些問題進(jìn)行研究，遇到難點(diǎn)問題就需要進(jìn)行仔細(xì)研究，然后將這些難點(diǎn)問題進(jìn)行解決，進(jìn)而使動力系統(tǒng)技術(shù)變得更加成熟，使高超聲速飛行器得以順利工作。在解決這些問題時，需要相關(guān)研究人員通力合作，大家相互配合、相互研究，進(jìn)而制定出更加科學(xué)、全面的解決方案。將這些問題進(jìn)行有效解決，可以使高超聲速飛行器動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破，比如，在設(shè)計(jì)中如何降低進(jìn)氣道阻力的技術(shù)，在設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道高性能的技術(shù)，進(jìn)氣道中如何設(shè)計(jì)寬范圍的技術(shù)等。通過這些關(guān)鍵技術(shù)的有效突破，可以使高超聲速飛行器得到進(jìn)一步發(fā)展，使飛行器的性能逐步提高，進(jìn)而擴(kuò)寬其使用范圍。

五、結(jié)束語

本文主要從高超聲速飛行動力系統(tǒng)的現(xiàn)狀入手，對該飛行器的組成形式、難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)以及工作原理等內(nèi)容進(jìn)行分析。通過本文研究得知，相關(guān)人員對該飛行器進(jìn)行了大量研究，并且取得了一些突破性的進(jìn)展，但是要想使該飛行器得到更好的優(yōu)化與發(fā)展，就需要對飛行器的動力系統(tǒng)進(jìn)行大量研究，進(jìn)而使動力系統(tǒng)的性能得以優(yōu)化，為超高聲速飛行器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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