高超声速飞行器冲压发动机分析

高超声速飞行器冲压发动机分析

胡文祺

空军工程大学 陕西省西安市

摘要：在大气层进行长距离飞行，并且飞行马赫数大于5的飞行器，被称为超高声速飞行器。像洲际导弹、航空航天飞机等都属于高超声速飞行器，高超音速飞行器非常受当今大国的重视，它是军事走在领先地位的重要保障。从军事角度而言，目前军队更加追求高速度和高精确度的。传统武器的速度较慢，会给敌方更多的反应时间和反应措施，而高超声速飞行器恰巧具备更高的速度，更高的精度和更大的杀伤力，并且可以进行全球打击，现有防空手段很难防御。其凭借传统武器所不具有的速度精度等优点，使得现在大国之间竞相发展相关产业。

关键词：高超声速；飞行器；热防护

1冲压发动机

1.1冲压发动机概述

冲压发动机的燃料燃烧是利用超音速气流来实现的。这种冲压发动机结构比较简单，而且成本低，但是拥有很强的推力，最重要的是不需要携带大量氧化剂，这是他优于火箭发动机的地方。在成本低、推力强等绝对优势下，高超音速巡航导弹、卫星、火箭、航天飞机等一般都会采用冲压发动机。但是冲压发动机不能够在静态条件下开始工作，因为其不具备压缩机，所以需要其他发动机的帮助才可启动，因此用在普通飞机上不太合适，需要组合装置。采用碳氢燃料时，其飞行速度一般小于8马赫，采用液氮氢燃料一般在6-25之间。

目前除了少数国家的反舰巡航导弹和空对空导弹不含有助推器的发动机，几乎其他使用冲压发动机的飞机都需要火箭助推器的帮助来达到最低速度。

1.2冲压发动机的分类

冲压发动机的分类有三类，分别是亚音速冲压发动机、超音速冲压发动机、高超音速冲压发动机。

二代机大多应用的是亚音速冲压发动机，所以二代机的飞行速度比较慢，但是飞行速度再慢也不能低于1/2的当地音速，如果低于1/2当地音速那么飞行器就会熄火，不能正常飞行。到了四代机的领域，他就开始大范围的装备高超声速发动机了。高超声速飞行器的飞行速度至少大于6倍的当地音速。超高声速发动机不但可提供高达17倍声速的远高于前几代冲压发动机的超高飞行速度，而且其使用相较于前两者不同的燃料，前两种冲压发动机用的主要是传统燃料燃油，高超声速飞行器用的是新型的氢燃料，这种新型燃料不但大大的缩小了原来油箱所占的空间，而且还具备比传统燃料更加强劲的动力。空间，速度这些都是冲压发动机的主要侧重点。

到现在为止，高超音速飞行器的构型主要体现在以下两方面，一种是轴对称结构另一种是升力体结构，应用对称形结构的飞行器一般是速度较快的飞行器，比如洲际导弹等。升力体结构由于其结构原因多装载在飞行速度大于六马赫数飞机上。升力体构型飞行器的进气道外压缩段处于前体下壁面，喷管的外膨胀段处于后体下壁面，这种构型具有相对于轴对称构型更好的结构效率、气动性能和操作性能。当今世界各大国都在极力的加强对于升力体结构方面的研究，升力体结构对于高速飞机，比如高速侦察机等具有重要意义。

2.超燃冲压发动机分析

超燃冲压发动机的首要部分就是高超音速进气道，进气道部分是从隔离段入口往前到由前体构成的外压缩面和外罩唇口的内压缩段。进气道最根本的工作是大幅度挤压进来的空气，在飞行器飞行过程中对面空气会冲进进气道内，然后在进气道内完成第一步工作，压缩。进气道在向燃烧室输入压缩空气时，还必须保证空气具有相当的温度。目前一体化构型思想越来越广泛被接受，进气道构型主要集中于二维压缩式、三维压缩式和轴对称式三种基本形式。

隔离段是超燃冲压发动机的进气道与燃烧室的过渡部分。气流首先进入进气道，但由于速度较快可能压缩不完全，而且还具有较高的速度，而隔离段的任务就是处理这部分剩余气体。继续对这部分气体进行阻挡和压缩。在飞行过程中由于加速度变化等原因会产生压力的变化，所以隔离段还能起到缓冲这部分压力的作用，这也是保护燃烧室的重要手段之一。大很多有关这方面的的探索中都会包含隔离段这一结构，在进行数据分析时，为了方便研究，通常将进气道的出口看作隔离段的出口，将燃烧室的入口看作隔离段的入口。这部分结构大多是采用等截面流道，也会有少数应用扩张形出口结构。

超燃冲压发动机的核心部件是燃烧室，它是众多研究高超声速飞行器的国家的探索方向的重中之重，超燃冲压发动机的总体技术发展高度很大程度上取决于燃烧室的发展水平。燃烧室的关键技术可以表现在以下几个方面：1）燃烧室的结构构型研究2）燃料的注入、着火和火焰稳定燃烧的研究3）燃烧室的流场仿真研究。在结构方面，发动机的构型基本上同于燃烧室的构型，其类别主要有矩形截面构型和轴对称构型两大类，另外还有一些比较少见的双燃烧室构型。关于流道设计方面，燃烧室由两部分组成，第一段是等直段第二段是扩涨段，值得注意的是等直段无燃料喷注可以作为隔离段作用。

尾喷管与燃烧室一致等同来说在构型上也与发动机构基本一致，在流道构型上和燃烧室的流道构型相吻合，主要有两大类型分别为单边扩张喷管和轴对称喷管。在冲压发动机一体化结构方面，整个机体的下壁面为尾喷管的上避扩张面，机体的外罩构成内膨胀段的侧壁面和下壁面。

3.冲压发动机的工作过程

冲压发动机的工作过程具体呈现，首先超音速或高超音速的气流在进气道中扩压到一个较低的超音速，接下来燃料会从气流或壁面中的突起物喷入，在超音速燃烧室中燃料与高速空气混合实现燃烧过程，最终燃烧后的气体会经过扩张型的喷管排出发动机。超燃冲压发动机由于其飞行速度过快，所以空气会以一个非常高的速度冲进进气道，为了充分提高压缩效率，减轻进气道的工作负担，大多会在进气道前段设置一个能提前压缩气体的装置。在飞行器的最后部分，运用流体力学知识，会运用自身尾部的结构设计来大幅减少流动阻力，减少飞行器飞行过程中的能量损耗，增加飞行里程。

参考文献

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