❖ 超燃冲压发动机技术涉及到大量基础和应用科学问题, 是高 难度的高新技术。从高超声速技术发展来看高超声速技术飞 行距离实际应用还有些距离。但是, 由于高超声速巡航导弹 和空天飞机等需求的牵引, 越来越多的国家和地区仍在持续 进行超燃冲压发动机技术研究。21 世纪, 超燃冲压发动机技 术必将得到较快发展和实际应用, 必将对军事、航天、国民 经济等产生深远影响
❖ 高超声速战斗机配挂防区外攻击武器, 以高空、高速进入 或退出目标区, 或战斗机配挂高超声速防区外攻击武器, 利用 武器的高超声速实施突防、攻击, 都必将大大提高航空武器 系统的突防概率、作战生存力和作战效能。当然, 高超声速 战斗机配挂高超声速巡航导弹则更是如虎添翼
❖ 超燃冲压发动机技术进一步发展还可能用在洲际飞机上, 这
❖ 超燃冲压发动机
冲压发动机是吸气式发动机的一种, 它利用大气中的氧气作 为全部或部分的氧化剂, 与自身携带的燃料进行反应. 与压气 机增压的航空发动机不同, 它利用结构部件产生激波来对高 速气流进行压缩, 实现气流减速与增压, 整体结构相对简单. 其工作原理是首先通过进气道将高速气流减速增压, 在燃烧 室内空气与燃料发生化学反应, 通过燃烧将化学能转变为气 体的内能. 最终气体经过喷管膨胀加速, 排入大气中, 此时喷 管出口的气体速度要高于进气道入口的速度, 因此就产生了 向前的推力
革命性的动力系统
❖ 首先, 由于巡航飞行马赫数远远高于传统战斗机, 现有的吸气 式发动机已不再适用. 当马赫数高于3 时由于进气道激波产生 的压缩已经很强, 不再需要压气机,而应当采用冲压发动机; 而 当马赫数达到6 左右时, 气流的总温已达1500K以上, 传统的亚 声速燃烧冲压发动机效率大大降低; 而如果保持进入发动机 的气流为超声速, 在超声速气流中组织燃烧, 发动机仍能有效 地工作, 这就是超声速燃烧冲压发动机(scramjet-supersonic combustion ramjet, SSCR). 超燃冲压发动机在Ma6 以上的性能 远高于亚燃冲压发动机, 它能工作到Ma12 » Ma15 左右
❖ 高超声速飞机
高超声速飞机在实时侦察、远程快速部署和精确打击方面 具有明显的军事价值。高超声速飞机实施实时侦察有独特的 优越性。目前, 各国主要依靠卫星和常规侦察机执行侦察任 务, 这两种侦察手段均有局限性, 特别是在对一些重大突发事 件的实时侦Байду номын сангаас方面存在明显不足。高超声速飞机具有突防能 力强, 被拦截概率小, 能深入敌纵深进行侦察的特点。
超燃冲压发动机的应用背景
❖ 1.高超声速巡航导弹
具有快速反应能力、相当高的突防概率、具有很强的穿透 力。凭借其高速度, 在很短时间(不超过10min)内就能够打击 近千千米以外的目标。美国发展巡航导弹的重要目标就是增 强快速反应与打击能力, 尤其是打击机动目标, 如导弹发射架 、航空母舰等高价值机动目标。高超声速巡航导弹能有效地 遏制地基、机载、舰载预警及武器系统整体功能的发挥。在 满足命中精度要求的条件下, 高超声速巡航导弹的巨大动能 能有效地提高对加固目标(包括深埋地下目标) 等目标的毁伤 概率
空天飞机(包括跨大气层飞机) 将作为反卫星武器平台、监视 和侦察平台、天基系统的支援平台, 在未来的空间控制和空 间战中将发挥重要作用: 迅速回收或更换与国家安全密切相 关的失效或失误的航天器(如卫星等) ;检查来历不明和可疑的 轨道飞行目标; 捕捉或摧毁不友好的航天器; 当航天器观察到 地面或空间出现严重事件时, 可用空天飞机迅速查明情况, 救 援处于困境或生病的宇航员或使他们摆脱困境。
❖ 传统的冲压发动机首先通过进气道将来流速度滞止为Ma0.3 以下的低速气流, 然后在气流中喷注燃料、组织燃烧, 称之为 亚燃冲压发动机.
❖ 当飞行器速度高于Ma5 以上时, 将气流速度降至低速将导致 燃烧室入口气流静温急剧升高, 对发动机结构设计与热防护 等方面造成了极大的困难;同时, 高静温也会导致煤油分解, 热 量无法加入,发动机不能产生推力; 另一方面, 将高超声速气流 压缩到低速将产生很大的激波损失, 降低推力性能, 因此亚燃 冲压发动机的应用受到了严重制约.为避免燃烧室入口高静温 来流所带来的诸多问题,超燃冲压发动机让气流以超声速进入 燃烧室, 在超声速气流中组织燃烧, 来流静温、静压和总压损 失大大降低, 因而可以实现较高的性能, 成为大气层内高超声 速飞行的理想动力装置, 在Ma > 8 时是唯一可用的吸气式动 力装置.
❖ 1.它可以利用大气中的氧气做为氧化剂，所以冲压发动机在 高超声速飞行时，经济性能显著优于涡喷发动机和火箭发动 机；发动机内部没有转动部件，结构简单，质量小，成本低 ，推重比高。
❖ 2.冲压发动机也有某些缺点：不能自身起动，需要助推器加 速到一定速度才可工作，但这个缺点并不突出；对飞行状态 的改变较敏感，当在宽马赫数范围内飞行时，要对进气道进 行调节，这样使得进气道结构复杂。
超燃冲压发动机技术
高超声速飞行器是指以吸气式及其组合式发动机
为动力, 在大气层内或跨大气层以Ma5 以上的速
度远程巡航飞行的飞行器. 高超声速飞行器主要
在临近空间, 以Ma6 » Ma15 的高速度巡航飞行, 其
巡航飞行速度、高度数倍于现有的飞机;同时由于 采用吸气式发动机, 其燃料比冲远高于传统火箭 发动机, 而且能实现水平起降与可重复使用, 因此 空间运输成本将大大降低. 高超声速飞行器技术 的发展将导致高超声速巡航导弹、高超声速飞机 和空天飞机等新型飞行器的出现, 成为人类继发 明飞机、突破音障、进入太空之后又一个划时代 的里程碑.
种洲际飞机飞行速度约为Ma =5～6 , 航程达数万公里, 各大洲
之间约2h 即可到达, 有很大的潜在市场。
❖ 空天飞机
能够象普通飞机一样起飞, 以高超声速在大气层中飞行, 在 30km ～100km高空的飞行速度可达12～25 倍声速; 能够直接 加速进入地球轨道; 能安全返回并再入大气层, 象普通飞机一 样在大气层中滑翔并降落; 能够重复使用。
❖ 过程H--2为绝热压缩, 在进气道中实现; 2--3 为等压加热, 在燃 烧室中进行; 3--4 为绝热膨胀, 在尾喷管中完成; 4--H 为工质 在大气中冷却的过程. 在实际工作工程中, 由于存在多种因素 导致的流动与热量损失, 冲压发动机的实际工作效率会低于 布莱顿循环的效率.
理想的冲压发动机的工作循环示意图