【系统及美图集】冲压式喷气发动机与超燃冲压发动机系统技术介绍及美图鉴赏

发布时间:2024-03-20 08:33:00

冲压式喷气发动机没有运动部件,通过以下方式实现进气压缩 飞行器的前进速度。空气进入进气口 超音速飞机因进气口产生的空气动力学扩散而减慢速度 和扩散器的速度可与涡轮喷气发动机增强器中的速度相媲美。这 热气体的膨胀,在燃料喷射和燃烧后,加速 将空气排出到高于入口处的速度并产生正极 推。

超燃冲压发动机是超音速燃烧冲压发动机的首字母缩写。超燃冲压发动机 与冲压式喷气发动机的不同之处在于燃烧发生在超音速空气中 通过发动机的速度。它在机械上很简单,但要多得多 空气动力学比喷气发动机复杂。氢气通常是燃料 使用。

推力是移动任何 飞机在空中飞行。推力由飞机的推进系统产生。不同的推进系统产生推力 不同的方式,但所有的推力都是通过一些产生的 牛顿第三定律的应用 运动。对于每一个动作,都有一个相等和相反的反应。在任何推进系统中,工作流体是 由系统加速和 对这种加速度的反应会在系统上产生力。一个 推力方程的一般推导表明,产生的推力的大小取决于通过发动机的质量流和气体的出口速度。工程师使用冲压式喷气发动机的热力学分析来预测推力和燃料流量 一个特定的设计。

在 1900 年代初期,一些关于冲压式喷气推进器的原始想法最初是在 欧洲。推力是通过通过燃料燃烧产生的热废气产生的 通过喷嘴。喷嘴加速流动,并对此做出反应 加速度产生推力。为了保持流经 喷嘴,燃烧必须在高于喷嘴出口压力的压力下发生。在冲压式喷气发动机中, 高压是通过将外部空气“撞击”到中产生的 燃烧室使用车辆的前进速度。外部空气 被带入推进系统的成为工作流体, 很像涡轮喷气发动机。在涡轮喷气发动机中 发动机,燃烧室中的高压是由一块 称为压缩机的机械。但是在那里 冲压式喷气发动机中没有压缩机。因此,冲压式喷气发动机更轻,而且 比涡轮喷气发动机更简单。冲压式喷气发动机仅在车辆时产生推力 已经在移动了;冲压式喷气发动机在发动机 静止或静态。由于冲压式喷气发动机不能产生静态推力,因此一些 必须使用其他推进系统将车辆加速到 冲压式喷气发动机开始产生推力的速度。车辆的速度越高,冲压式喷气发动机的工作效果就越好 直到空气动力学损失成为主导因素。

在冲压式喷气发动机中产生推力的燃烧在燃烧室中以亚音速发生。对于超音速行驶的车辆, 进入发动机的空气必须减速至亚音速 通过飞机入口。进气口中存在的冲击波会导致推进器的性能损失 系统。超过 5 马赫,冲压喷气发动机推进变得非常低效。新型超音速燃烧冲压发动机或超燃冲压发动机, 通过超音速进行燃烧来解决这个问题 在燃烧器中。

上图是一架 X-15 火箭动力飞机的图片,带有 冲压发动机悬挂在车身下方,并对导弹上使用的冲压发动机进气口进行风洞测试。在两种推进中 系统,火箭用于使冲压式喷气发动机在它之前加速 产生推力。因为冲压式喷气发动机使用外部空气进行燃烧, 它是一种更有效的推进系统,用于在 大气层比火箭,必须携带 它所有的氧气。冲压式喷气发动机非常适合在大气层内进行超高速飞行。

冲压式喷气发动机为高速飞行提供了简单、轻便的推进系统。同样,超音速燃烧冲压发动机或超燃冲压发动机, 为高超音速飞行速度提供高推力和低重量。与涡轮喷气发动机不同,冲压式喷气发动机和 超燃冲压发动机没有 运动部件,只有一个进气口,一个由燃料组成的燃烧室 喷油器、火焰支架和喷嘴。冲压发动机和超燃冲压发动机如何 工作?

当安装在高速飞机上时, 大量的周围空气是 由于飞机的向前运动,不断进入发动机进气口。空气变慢了 通过入口,和动态 由于速度引起的压力被转换为更高的静态 压力。在入口处,空气要高得多 压力比自由流。虽然自由流速度可能 无论是亚音速还是超音速,流动 离开冲压式喷气发动机的进气口始终是亚音速的。在相同的车辆速度下,从超燃冲压发动机入口流出的气流是超音速的,并且比冲压发动机入口具有更少的冲击损失。在燃烧器中, 少量燃料与空气混合并点燃。在一个 典型的发动机,100 磅空气/秒,仅与 2 磅燃料/秒。大部分热废气来自 周围的空气。燃烧器中的火焰支架可定位燃烧 过程。冲压式喷气发动机以亚音速燃烧发生,并且 超燃冲压发动机中的超音速。离开燃烧器, 热排气通过喷嘴,喷嘴 形状以加速流动。因为出口 速度大于自由流速度,推力为 按照一般推力的描述创建 方程。对于冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机,出口质量流量几乎相等 到自由流质量流量,因为非常 向溪流中添加的燃料很少。

冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机的推力方程包含三个项:总 推力、撞锤阻力和压力校正。如果自由流条件 用“0”下标表示,退出条件用“e”下标表示, 推力 F 等于质量流量 m 点乘以出口处的速度 V 减去自由流质量流量 乘以速度加上压力 p 差乘以喷嘴 出口区域:

F = [m 点 * V]e - [m 点 * V]0 + (pe - p0) * Ae

空气动力学家经常提到第一个术语(出口质量流量 速率乘以出口速度)作为总推力,因为这 术语很大程度上与喷嘴中的条件有关。

第二项(自由流质量流量乘以自由流 Velocity)称为冲压阻力。这个术语可能相当大 用于超燃冲压发动机。

对于冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机,喷嘴出口 速度是超音速的,出口压力取决于面积 喷嘴喉部与出口之间的比率 的喷嘴。只有对于唯一的设计条件才是出口 压力等于自由流静压。对于所有其他条件,我们必须包括 推力方程(出口压力减去自由流压力 乘以出口区域)。这种压力校正通常是 与推力方程的第一项相比较小。但是对于 完整性,该术语通常包含在毛额中 推力。

您可以探索冲压式喷气发动机的设计和操作 引擎,通过使用交互式 EngineSim Java 小程序。设置引擎 键入“冲压发动机”,您可以更改任何参数 影响推力和燃料流量。您还可以探索冲压式喷嘴的设计和操作 我们的交互式喷嘴模拟器程序 在您的浏览器上运行。

当飞机在空中移动时,附近的空气分子 飞机受到干扰并在飞机周围移动。空气如何对飞机做出反应的确切方式取决于 飞机的速度与通过空气的声速之比。因为 这种速比的重要性,空气动力学家已经指定了它 带有一个称为马赫数的特殊参数,以纪念 19 世纪后期研究气体的物理学家恩斯特·马赫 (Ernst Mach) 动力学。

对于大于音速的飞机, 据说这架飞机是超音速的。有一些非常特殊的飞机在高超音速状态下飞行,其中飞机的皮肤温度变得足够高,必须使用特殊材料,但是 温度是 仍然足够低,空气分子保持完整。高超音速飞机的典型速度大于 1500 英里/小时 但低于 2500 英里/小时。这 然后马赫数 M 大于 3,但小于 比 5、 3 < M < 5。除了高温之外,我们还会遇到可压缩性效应,并且由于冲击波和膨胀,局部空气密度会发生变化。

在这种制度下巡航的唯一飞机是 XB-70 和 SR-71/YF-12。图中显示了 SR-71。这两架飞机都采用了非常专业的进气系统,将高速空气带入发动机。XB-70 采用了六台特殊的加力涡轮发动机,而 SR-71 则使用了集成的涡轮冲压发动机。因为升力和阻力取决于速度的平方, 这些飞机在巡航飞行中不需要大的机翼面积。像任何超音速飞机一样,机翼以平面形式扫过以减少阻力。

当任何金属被加热时,它开始失去强度。金额 的损失取决于金属的类型。对于大于 2.5 的马赫数,摩擦加热 空中机身变得足够高 重量轻的铝不能用于结构。SR-71主要由钛制成,具有良好的高 温度特性,但仍然足够轻 飞机结构。在加热过程中,任何金属都会膨胀。自 允许膨胀,滑接头用于许多地方 在 SR-71 上。在地面上,SR-71 油箱泄漏,它们确实泄漏 在飞行过程中飞机升温之前不要密封。

超燃冲压发动机是一种超音速内燃机,它抛弃了典型喷气发动机的压缩机和涡轮机,可以达到大于 5 马赫的速度!

几个月前,印度国防研究与发展组织(DRDO)成功进行了用于高超音速飞行的无人超燃冲压发动机演示飞机的首次飞行试验。是的,那是一口。这架演示飞机的正式名称为“高超音速技术演示飞行器(HSTDV)”。该飞机旨在实现大于6马赫的速度。从这个角度来看,一架客机的飞行速度明显低于 1 马赫。

使用超燃冲压发动机技术可实现 6 马赫或更高的速度。超燃冲压发动机技术极难开发,在印度之前,只有其他三个国家(美国、俄罗斯和中国)成功开发了这种技术。

由超燃冲压发动机提供动力的车辆已被提议达到 12 马赫或更高的速度。(图片来源:Marc Ward/ Shutterstock)


什么是喷气发动机?

在我们仔细研究超燃冲压发动机之前,让我们先谈谈一般的喷气发动机。喷气发动机是通过喷气推进产生推力(或运动)的内燃机。这些发动机可用于高速行驶,例如喷气式飞机、战斗机、导弹和无人机。喷气发动机也被改装用于高速汽车和发电厂。基本喷气发动机的工作原理与传统燃气轮机相同。

基本的喷气发动机由风扇、压缩机、燃烧室和涡轮机组成。(图片来源:Stanislav-Z/ Shutterstock)

喷气发动机由前部的压缩机、燃烧室和涡轮机组成。压缩机和涡轮机安装在同一轴上。压缩机前部的风扇从大气中吸入空气。

压缩机由多个叶片组成,叶片在轴上高速旋转,然后压缩进入的空气。由于这种压缩,空气的压力和温度增加,速度下降。而在燃烧室中,燃料喷洒在压缩空气中,火花塞产生的火花点燃混合物。

然后混合物自发膨胀,形成射流。试图从喷嘴喷出的射流产生的反作用力提供了必要的推力,使飞机/飞行器向前移动。产生的推力大小取决于出流的速度与进气的速度相比。射流的速度越大,产生的推力就越大。

在离开发动机之前,射流穿过涡轮叶片。涡轮叶片上的出流传递的运动通过轴传递到压缩机。

(图片来源:Nasa.gov)

传统喷气发动机的缺点

传统喷气发动机的一个主要缺点是它包含的运动部件数量。该列表包括多级压缩机和涡轮转子,以及其他机械部件,如火花塞、冷却系统、加力燃烧室、燃料控制单元、原动机等。这些部件给整个发动机增加了很多重量,使整个车辆更重。工程复杂性和可能发生故障并导致发动机故障或停机的元件数量也随着零件的增加而急剧增加。

压缩机将进入的空气降低到传统喷气发动机中的亚音速。因此,由于出流速度也保持在亚音速水平下,因此可以产生有限的推力。

此外,以超音速从地球上的一个地方旅行到另一个地方的梦想是普通喷气发动机无法实现的。大多数喷气发动机只能达到亚音速,即低于 1 马赫的速度,尽管极少数可以以 3 马赫左右的速度飞行。

这就是冲压发动机和超燃冲压发动机发挥作用的地方。

什么是冲压发动机和超燃冲压发动机?

冲压发动机和超燃冲压发动机是喷气发动机的变体,它们从常规喷气发动机中抛弃了旋转压缩机和涡轮机。这两种模型依靠空气的自然撞击来产生推力。冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机的基本工作原理包括将进入的高超音速(速度大于 5 马赫)或超音速空气的重要动能转换为压力能。

以高超音速流动的空气具有非常高的动态压力。动态压力也称为速度压力,正式定义为每单位体积的动能。您可能还记得它是伯努利方程中的一个项(P + 1/2 ρ v2 +ρ g h = 常数,其中项“1/2 ρ v2”是动态压力)。

然而,以亚音速流动的空气的动态压力不足以产生任何可用的推力。此外,当飞机处于静止状态时,周围空气的动态压力甚至更低,不能用于产生推力。

因此,冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机在初始起飞时需要帮助,直到飞机达到特定速度。只有当周围的空气以不低于超音速的速度流动时,这两种类型才能有效运行,从 3 马赫开始。

冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机不利用旋转压缩机和涡轮机来产生推力,而是依靠空气的自然撞击。(图片来源:GreyTrafalgar/Wikimedia Commons)


现在,关于两个喷气发动机的构造,前部常规喷气发动机的压缩机被扩散器取代,而发动机的另一端则被推进(收敛发散)喷嘴占据。

扩散器是用于降低流体速度(在我们的例子中是进入的空气)并增加其压力和温度的装置。另一方面,喷嘴用于降低压力并增加流体(排气射流)的速度。由于冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机中没有压缩机,因此也无需涡轮机。

当以高超音速移动的空气被迫通过扩散器时,其动态压力被转换为静压。气流速度降低,而压力和温度升高。这种增加的温度和压力有助于混合物的燃烧。

其余的工作程序与普通喷气发动机相同。在燃烧室内,空气与燃料混合,火花塞有助于点燃混合物,而推进喷嘴则加速排气流以产生推力。

冲压发动机与超燃冲压发动机

在冲压式喷气发动机中,进入的空气通过扩散器减速至亚音速以下。它利用倾斜冲击波来减慢流动速度,然后是最后的法向冲击波,使其低于亚音速。由于产生的推力取决于排气射流的速度,因此在类似于喷气发动机的冲压式喷气发动机中,产生的推力量受到燃烧室中亚音速空气流的限制。

为了增加推力的产生,进入的空气不得减速到亚音速以下;超燃冲压发动机就是这样做的。超燃冲压发动机只不过是冲压式喷气发动机的升级版;事实上,超燃冲压发动机代表“超音速燃烧冲压发动机”。

在超燃冲压发动机中,进入的气流不会减慢到亚音速水平并保持超音速。这是通过一个更逐渐发散的扩散器来实现的。超燃冲压发动机中的燃烧室也被修改为以超音速运行,而冲压式喷气发动机中的燃烧室仅以亚音速运行。

推进喷嘴也经过修改,以将排气射流加速到更高的马赫数。因此,超燃冲压发动机产生的推力大于冲压发动机产生的推力。因此,超燃冲压发动机可以比冲压发动机以更高的速度飞行。

超燃冲压发动机也很重要,因为它们弥合了高效喷气发动机和高速火箭发动机之间的差距。

超燃冲压发动机携带燃料并使用摄入的大气氧气作为氧化剂,而火箭则携带燃料和氧化剂。由于超燃冲压发动机不携带氧化剂,因此它们仅限于大气飞行,不能用于太空旅行......还。

1947 年,当查尔斯·耶格尔 (Charles “Chuck” Yeager) 在驾驶贝尔 X-1 Glamorous Glennis 时达到 1.06 马赫的速度时,他成为第一个在受控水平飞行中飞行速度超过音速的人。指定他“在受控水平飞行中”达到超音速似乎是多余的,但这实际上是一个非常重要的区别。在第二次世界大战期间,曾有几次未经证实的说法称飞机达到甚至超过1马赫,但总是在陡峭的俯冲期间,通常会导致飞机及其飞行员的损失。耶格尔的成就不仅在于速度比声音快,还在于在受控和持续的飞行中做到了这一点,并以安全着陆告终。

查克·耶格尔和他的贝尔X-1

这样一来,高超音速飞行的现状与1947年之前的超音速飞行并不完全不同。我们有以5马赫或5马赫以上的速度飞行的导弹,这是高超音速制度的开始,而从轨道返回的航天器,如航天飞机,在大气层中俯冲时可以达到高达25马赫的速度。但这两个例子都不符合耶格尔在72年前实现的“受控水平飞行”的要求。除非飞行器可以加速到5马赫,在一段时间内保持这种速度,然后完好无损地着陆(无论是否有人类乘员),否则我们不能说我们已经真正掌握了高超音速飞行。

那么,为什么在我们打破音障近一个世纪后,我们仍然没有实用的高超音速飞机呢?历史上最大的问题之一是车辆的制造材料。洛克希德SR-71“黑鸟”在以3马赫的速度飞行产生的强烈热量中挣扎,这最终要求它由昂贵且喜怒无常的钛和聚合物复合材料组合而成。以 5 马赫或更高速度飞行的飞行器会受到更恶劣的条件,材料科学花了几十年的时间才应对这一挑战。

借助现代复合材料和先进的计算机模拟,我们正在接近解决持续高超音速飞行的物理问题。随着俄罗斯最近宣布已将其Avangard高超音速滑翔机投入生产,小型飞行器以高马赫数长时间飞行已成为现实。说这是一个已解决的问题并不准确;美国高超音速滑翔机计划一直受到与飞行器在20马赫飞行压力下分崩离析有关的问题,该飞行器将飞行器表面加热到超过1,900摄氏度(~3,500华氏度)的温度。但是我们越来越近了,它不再是几十年前看起来无法克服的问题。

今天,剩下的最大挑战是推动高超音速飞行器在一段时间内进行水平飞行。最有前途的解决方案是超燃冲压发动机,这是一种依靠车辆本身的速度来压缩进入的空气进行燃烧的发动机。它们在机械上非常简单,从耶格尔爬进X-1驾驶舱的时候,人们就已经知道了它背后的物理原理。不幸的是,建造全尺寸高超音速超燃冲压发动机飞机的道路是漫长而艰难的,更不用说测试了。

紧紧挤压

在传统的涡轮喷气发动机中,轴流压缩机用于在环境空气进入发动机时增加压力和温度。然后,这种热的压缩空气与雾化燃料结合并在燃烧室中点燃,使其膨胀并变得更热。这些热气体以高速射流的形式通过发动机的排气喷嘴排出,但在通过涡轮机之前不会通过涡轮机,涡轮机产生运行压缩机的动力。涡轮喷气发动机的运转需要微妙的平衡,构成压缩机和涡轮级的众多转子和定子必须按照严格的规格和最高强度的材料制造。涡轮喷气发动机的最大速度也被限制在 3 马赫左右;如果速度更快,发动机根本跟不上进入进气口的空气压力。

相比之下,最基本形式的超燃冲压发动机根本不需要任何运动部件。通过发动机的空气仍然经历相同的压缩、燃烧和膨胀三个阶段;但不同的是,进入发动机的空气移动得如此之快,以至于进气口的几何形状足以将其压缩到为燃烧阶段做好准备的程度。由于没有压缩机提供动力,发动机也不需要涡轮级,因此膨胀的气体可以立即自由地离开喷嘴。由于空气在通过超燃冲压发动机时不需要减速,因此理论上这种发动机能够以高达 24 马赫的速度运行。

CC BY-SA 3.0 艺术作品的衍生物 GreyTrafalgar

与超音速冲压喷气发动机一样,超燃冲压发动机有时被称为“飞行烟囱”,因为它们实际上是空心管,其中空气和燃料结合以产生推力。至少在理论上,这是一个非常简单的设计,它似乎好得令人难以置信。那么,为什么我们还在努力开发一个实用的版本呢?

快速上手

问题在于,超燃冲压发动机在以接近高超音速的速度移动之前,实际上不会工作。任何低于 4 马赫左右的速度,并且进入的空气移动速度不够快,无法压缩到发动机的进气口内。因此,到目前为止,超燃冲压发动机的测试主要局限于将它们安装在常规火箭的前部,进行一次性测试,最终以发动机的破坏而告终。这是一种缓慢而昂贵的发动机开发方式,并且在阻碍实际的超燃冲压发动机开发方面发挥了重要作用。

美国宇航局X-43

因此,虽然早在 1950 年代就有人研究超燃冲压发动机技术,但直到 1991 年苏联才成功测试了超燃冲压发动机技术。即便如此,它也是一个相当有限的概念证明。十多年后的2004年,美国宇航局(NASA)才真正在X-43的实用超燃冲压发动机动力飞行器方面取得了重大进展。

这架无人驾驶飞机与飞马座火箭的改进版本配对,并从B-52轰炸机的底部发射,就像商用空中发射的轨道飞行器一样。在与助推火箭分离后,X-43发射了自己的超燃冲压发动机十秒钟,加速到9.6马赫。该计划取得了圆满成功,X-43仍然保持着有史以来飞行速度最快的飞机的记录。

最先进的技术

尽管距离X-43最后一次飞行已经过去了15年,但高超音速超燃冲压发动机开发的前沿并没有取得太大进展。2008 年,美国计划建造一架将涡轮喷气发动机的低速性能与冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机的 3+ 马赫能力相结合的飞机;这意味着测试仍然依赖于复杂而昂贵的空中发射计划。

在美国,X-43计划的直接继任者是波音X-51 Waverider。X-51的开发始于2005年,就在X-43以破纪录的9.6马赫飞行一年后。事实上,X-51 使用的发动机最初是为 X-43 的后期变体设计的,该变体被取消以支持开发更新的车辆。

波音 X-51 Waverider 安装在 B-52 的机翼上

X-51 于 2010 年首飞,但由于随后的多次失败,直到 2013 年才进行完全成功的测试。在那次飞行中,它能够保持 5.1 马赫的速度,直到发动机的燃料耗尽(大约 210 秒),之后飞行器溅入太平洋。它的飞行速度可能不比它的前身快,但X-51证明了它可以飞行更长的时间。

据报道,中国还在研制几种超燃冲压发动机动力飞行器,甚至可能使用火箭-超燃冲压发动机混合推进系统的航天器。不幸的是,除了中国媒体报道的少数试飞之外,关于这些计划的公开信息很少。最近,中国媒体报道了“星空-2”的成功飞行,通常认为其设计类似于X-51,2018年8月。官员们声称,这辆车的最高速度达到了6马赫,并在动力下飞行了400多秒。如果这些说法是准确的,那么它将以相当大的优势击败美国同行。

未来

洛克希德·马丁公司SR-72的概念图

为了使高超音速飞机真正实用,它需要能够在自己的动力下升空,并在空中平稳过渡到高超音速发动机。洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)为其下一代SR-72侦察机提出了这样一个系统,他们称之为基于涡轮机的联合循环(TBCC)。它由涡轮喷气发动机和冲压式喷气发动机组成,共享一个共同的进气口和排气喷嘴,是 SR-71 发动机中使用的概念的演变。

虽然SR-72是否真的会像设想的那样被建造出来还有待商榷,但洛克希德·马丁公司已经准备好将TBCC发动机技术作为一个独立的项目来推进。甚至有传言说,他们已经建造并飞行了一架小型无人驾驶飞机进行飞行测试。但即使在最乐观的时间表下,这项研究也不会早于2020年代末生产出可行的车辆。

除了一些公众不知道的军事黑色项目外,到2030年,一架能够靠自己的力量达到5+马赫的实用飞机似乎是合理的。从莱特飞行器到迷人的格伦尼斯花了 44 年的时间,从那时起至少需要 80 年才能让实用的高超音速飞机飞上天空。考虑到我们仍在研究实用超音速飞机的细节以及成就的相对复杂性,历史可能会将其视为合理和必要的进步。

结论

超燃冲压发动机技术的使用可能会让我们以超过音速 10 倍的速度飞行,但它仍然是一项正在进行的工作。如前所述,只有 4 个国家成功开发了超燃冲压发动机技术。第一辆超燃冲压发动机动力车辆于1991年11月首飞,由俄罗斯开发。自超燃冲压发动机技术首次展示以来,已经过去了大约 27 年,但它仍然大规模地躲避着我们。

主要问题是需要额外的运载火箭来启动飞行,因为超燃冲压发动机只能在 5 马赫或更高的速度下产生有用的推力。空气摩擦和冲击波产生的热量是另一个问题。较差的推重比限制了加速度,飞机也需要相当大的尺寸才能承载一定的有效载荷。最重要的是,超燃冲压发动机技术的制造和测试成本非常高。大多数测试以测试车辆的完全歼灭而告终。

因此,虽然超燃冲压发动机技术可能看起来令人兴奋和有用,但至少在未来 10-15 年内,我们不太可能看到它。

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