冲压发动机

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衝壓發動機示意圖

衝壓發動機(Ramjet, stovepipe jet, athodyd)是喷气发动机的一种,它利用了发动机的前向运动来压缩空气,而不使用带有可旋转叶片的压缩机。冲压发动机无法在空速为零的时候产生推力,因此无法使飞行器从静止启动。

冲压发动机需要相当高的速度才能产生工作良好,而在速度达到3马赫左右的时候工作最为有效。而冲压发动机最高可以在6马赫的速度下工作。

冲压发动机的体积比较小和结构都比较简单,因此对于那些需要这种发动机的高速飞行器相当有用,比如导弹。而武器设计者试图在火炮中使用冲压发动机的技术。例如,如果120mm 迫击炮弹使用了冲压发动机的技术,射程可能达到35千米。冲压发动机也被作为翼端发动机在直升机的发动机中使用,尽管效率并不高。

冲压发动机经常与脈衝壓式噴氣發動機混淆。脉冲发动机使用间歇的燃烧方式,而冲压发动机采用连续燃烧的方式。这两种发动机有着本质的区别。

历史[编辑]

冲压发动机在1913年由法国发明家 René Lorin 发明,并被申请专利。但是由于缺少足够的材料,建造原型机的工作失败了。

在1915年,匈牙利发明家 Albert Fonó设计了一种增加火炮射程的解决方案。他将火药发射的炮弹于冲压发动机推进结构结合起来,使得尽管发射速度比较低,炮弹仍能有较远的射程,同时也允许相对轻型的火炮可以发射重型的炮弹。Fonó 将他的发明提交给了奥匈军队,但是这项提案被否决了。在第一次世界大战之后,Fonó 回到了喷气推进的课题中。1928年5月,他在一份德国专利申请中描述了一种可以用于高海拔超音速飞行器的喷气发动机。而在附加的专利申请中,他调整了发动机使之可以用于亚音速飞行。经过四年的专利审查,于1932年他获得了这项专利 (德国专利号 No. 554,906, 1932-11-02)。

Gorgon 四型导弹被安装于 P-61 的机翼下,正在准备飞行测试。

美国海军使用"Gorgon” 这个名字发展了一系列空空导弹,使用了不同的推进技术,其中也包括了冲压发动机。Glenn Martin 使用冲压发动机制造了 Gorgon 四型导弹,于1948年和1949年在Point Mugu 海军航空站测试。 这枚导弹中使用的冲压发动机由南加州大学设计,由Marqutdt航空器公司制造。这个发动机长7英尺,直径20英寸,被安放于导弹下部。

在苏联,超音速冲压发动机的理论在1928年由 Brois S. Stechkin 提出。Yuri Pobedonostsev 对冲压发动机进行了大量地研究。第一个发动机,GIRD-04在1933年4月由I.A. Merkulov 设计并测试。为了模拟超音速的飞行,实验中向发动机提供了200个大气压的空气,而发动机使用氢气作为燃料。冲压发动机GIRD-08使用了磷作为燃料。为了测试这台发动机,实验者使用一个加农炮将它发射出去。这些炮弹可能是最早的喷气动力的超音速弹丸。1939年,Merkulov 将冲压发动机用于R-3二级火箭,并进行了相关的测试。这年8月,他制造了首架以冲压发动机作为附加动力的战斗机,发动机名为DM-1,并于12月进行了世界上首次以冲压发动机为动力的飞行。飞机为一架经过改装的Polikarpov I-15,使用了两部DM-2发动机。1941年,Merkulov开始设计一种冲压发动机为动力的战斗机 Samolet D, 但没能完成。在第二次世界大战中,两部他设计的DM-4型发动机被安装在Yak-7 PVRD 战斗机上。1940年,以液态燃料火箭发射、以冲压发动机为飞行动力的Kostikov-302实验飞机设计完成。该项目于1944年取消。1947年,Mstislav Keldysh 提出了一种远距离轨道轰炸机的设计方案,使用冲压发动机来代替火箭发动机。1953年,NPO Lavochkin 和 Keldysh 开始设计三倍音速的冲压发动机驱动的巡航导弹,Burya。 该项目与R-7 ICBM 同时完成,于1957年取消。

1936年,Hellmuth Walter建造了以使用天然气作为动力的测试发动机。BMWJunkersDFL 进行了理论的研究工作。在1941年,来自DSL的Eugen Sänger 提出了一种使用非常高燃烧温度的冲压发动机。他建造了非常大的冲压发动机管道(直径为500 mm 和 1000mm)并在卡车上和设置在以高达200m/s飞行的飞机上的专用的测试设备上进行了测试。随后,由于战争中汽油在德国变成了稀缺资源,测试使用了块状的压缩煤作为燃料。但是由于煤燃烧速度慢,测试没有成功,

结构[编辑]

在空气中高速运行的物体将会在运行的前方产生高压区域,而后方产生低压区域。冲压发动机利用了发动机前方的高压使空气进入发动机管道,随后,空气与燃料混合燃烧。加热后的空气传送到喷嘴并被加速至超音速。这个加速给予冲压发动机前进的推力。

冲压发动机通常被描述成“飞行的烟囱”。这个设备非常简单,包括一个进气口、燃烧室、和一个喷嘴。通常,冲压发动机中唯一的活动结构在涡轮泵中,这个泵将液态燃料泵入燃烧室。而固态燃料的冲压发动机的结构更为简单。作为对比,一个涡轮喷气发动机通常包括涡轮驱动的风扇来压缩空气,这将使发动机在低速时有更高的效率,而此时冲压发动机的效率比较低。但是涡轮喷气发动机更加复杂、沉重,造价也更昂贵。涡轮机的温度限制也限制了最高速度与高速时的推力。

进气口[编辑]

冲压发动机利用了入口附近的非常高的动态压力。有效率的空气入口可以恢复大部分自由流滞止压力,这个压力可以用来支持燃烧与喷嘴处的膨胀过程。

大多数冲压发动机在超音速的状态下才能工作。进气口通过进气道截面积的变化使得气流速度降低,最终在出口处达到亚音速。进一步地传播将使得气流的速度进一步下降到适于燃烧的水平。

由于气流已经降至亚音速,亚音速的冲压发动机不需要复杂的进气口设计。略超过音速时,这个设计也可以使用,但是空气将在进气口阻塞,使发动机效率降低。

燃烧室[编辑]

和其他的喷气发动机类似,燃烧室的功能是提供加热的空气。燃烧室需要将燃料与恒定气压的空气混合并燃烧,以完成该功能。由于通常流经发动机的气流速度很高,受保护的燃烧区域通常使用火焰稳定器来防止火焰被吹灭。

原理[编辑]

衝壓發動機本身沒有活動的部分,氣流從前端進氣口進入發動機之後,利用進氣道截面積的變化,讓高速氣流降低速度,並且提高氣體壓力。壓縮過後的氣體進入燃燒室,與燃料混合之後燃燒。由於衝壓發動機維持運作的一個重要條件就是高速氣流源源不決的從前方進入,因此發動機無法在低速或者是靜止下繼續運作,只能在一定的速度以上才可以產生推力。為了讓衝壓發動機加速到適合的工作速度,必須有其他的輔助動力系統自靜止或者是低速下提高飛行速度,然後才點燃衝壓發動機。

由於沒有活動組件,衝壓發動機與一般噴氣發動機比較起來,重量較低,結構也比較簡單,不過衝壓發動機在低速時的氣體壓縮效果有限,因此低速時效率比較差。

衝壓發動機適合的工作環境是在2馬赫與以上的速度,最低啟動速度也大約是此界線,隨著速度逐漸增加,氣體的衝壓效應在3馬赫時效率會大幅壓過渦輪噴射引擎,而此時的渦輪噴射發動機受限於超溫往往已經無法運作了,但是衝壓發動機在燃燒的階段,進氣氣流的速度仍然需要經過震波減速在音速以下,否則燃燒過程將無法維持。新一代的衝壓發動機稱為超音速燃烧冲压发动机(Scramjet),這種發動機的氣流在燃燒階段還是維持在音速以上的速度,在技術難度上更高,也是目前主要發動機公司發展的對象。

参见[编辑]