沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

魏佑海

概述

沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī))是一種構(gòu)造非常簡(jiǎn)單、可以發(fā)出很大推力、適用于高空高速飛行的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖1及圖2)。

圖1亞音沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2超音沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只有三個(gè)主要部件——擴(kuò)壓器，燃燒室和尾噴管。它一般使用煤油做為燃料。推力的產(chǎn)生與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，是由于高速排氣所產(chǎn)生的反作用力。其情況是：當(dāng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣流以高速?zèng)_進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，于是空氣速度就下降，壓力便上升。當(dāng)壓力剛剛達(dá)到最大值時(shí)，就由噴油嘴噴射燃料(煤油)，開(kāi)始燃燒，使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中空氣溫度和壓力急速地增大，然后這種炙熱的空氣與燃燒產(chǎn)物相混合的氣體，便以更大的速度從發(fā)動(dòng)機(jī)噴管?chē)娚涑鰜?lái)。噴氣流的速度比進(jìn)口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛機(jī)運(yùn)動(dòng)。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大。

雖然它只由很簡(jiǎn)單的三個(gè)管道形的部件構(gòu)成，但是它可以發(fā)出非常大的推力，并且推力隨飛行速度的增大而迅速增大。例如，一個(gè)橫截面只有1平方公尺的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在11公里高空，以速度為3.5倍音速飛行時(shí)(M=3.5)，可以產(chǎn)生推力大約是30，000公斤(即30噸)。這時(shí)它推進(jìn)的功率達(dá)到414，000匹馬力，這相當(dāng)于200個(gè)火車(chē)頭的功率。若是在低空飛行，由于空氣密度大功率還要增加。這樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有多重呢？最多不會(huì)超過(guò)1噸。從這里可以看到它強(qiáng)大的工作能力。

由于它具有這種優(yōu)良的特點(diǎn)——推力大、重量輕，因此非常適合于高空高速飛行。目前的最高速度約為4倍音速(相當(dāng)于4400公里/小時(shí))，高度可達(dá)30公里以上。但這數(shù)值還不是它的極限，估計(jì)以后它的飛行高度、速度還要進(jìn)一步提高。

根據(jù)使用的范圍，沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)可以分為亞音速及超音速兩種。

它的主要缺點(diǎn)是，在靜止時(shí)沒(méi)有推力，因此無(wú)法自己起飛，使用中應(yīng)該有起飛輔助動(dòng)力。其次在低速度飛行時(shí)經(jīng)濟(jì)性差。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的用途及使用情況

亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于經(jīng)濟(jì)性差，目前很少作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置。但是它構(gòu)造簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本很低，因此常作為靶機(jī)(靶機(jī)是防空部隊(duì)打靶時(shí)作為射擊目標(biāo)用的飛機(jī)，里面沒(méi)有人)的動(dòng)力裝置。有時(shí)也用做亞音速導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)。

將亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)裝在直升機(jī)的旋翼尖端，可以用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)旋翼。這種型式的動(dòng)力裝置除了構(gòu)造簡(jiǎn)單以外，并且直升機(jī)不承受旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的反作用力矩，因而也就沒(méi)有必要像一般直升機(jī)一樣，在尾巴上安裝抗扭螺旋槳。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在超音速飛行，因此其使用范圍也主要是在超音速。下面介紹一些超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的使用情況。

超音速飛機(jī)主要用作殲擊機(jī)與轟炸機(jī)的動(dòng)力裝置。例如正在研究中的一種，是把沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組合使用，后者放在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道內(nèi)。起飛時(shí)使用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在M=0.4時(shí)起動(dòng)，設(shè)計(jì)的飛行速度為音速的4倍(M=4)(圖3)。此外還有一種在研究中的轟炸機(jī)，其設(shè)計(jì)飛行速度為M=4，巡航高度H=30，000公尺，最大航程為16000公里，目前尚未獲得成功。

圖3裝有沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的超音速飛機(jī)

洲際飛航導(dǎo)彈由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可在高速下飛行，并且經(jīng)濟(jì)性很好，做為遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，無(wú)論從軍事上或經(jīng)濟(jì)上來(lái)考慮都很好，所以各國(guó)都在積極的從事研究。有一種正在研究中的洲際飛航導(dǎo)彈，其飛行速度約為音速的3.0－3.5倍，高度約為21－24公里。航程大于8000公里。

中程近程導(dǎo)彈在射程從幾十公里直到2400公里范圍內(nèi)的中程及近程導(dǎo)彈上，目前經(jīng)常采用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。這種導(dǎo)彈可以是地對(duì)地，空對(duì)空，也可以是地對(duì)空。例如有一種裝有沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的地對(duì)地導(dǎo)彈飛行速度M=3.5，飛行高度24公里，航程2400公里。另一種空對(duì)空導(dǎo)彈從殲擊機(jī)發(fā)射，可以用來(lái)攻擊轟炸機(jī)或其他飛機(jī)，速度是音速的3倍。還有一種正在生產(chǎn)中的防空導(dǎo)彈，由地面發(fā)射，速度為M=2－2.5，這些導(dǎo)彈均采用沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。

此外，為了訓(xùn)練殲擊機(jī)及導(dǎo)彈武器射擊用的超音速靶機(jī)，使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)也是非常經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)檫@種發(fā)動(dòng)機(jī)成本比其他發(fā)動(dòng)機(jī)要便宜得多。

蘇聯(lián)在噴氣技術(shù)上已經(jīng)大大超過(guò)資本主義國(guó)家，在沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)、科學(xué)研究的成果上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在資本主義國(guó)家的前面。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型的、用于高速飛行的、尖端航空科學(xué)技術(shù)。它正在日新月異的迅速發(fā)展。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，有著廣泛的復(fù)雜問(wèn)題需要研究解決。

隨著飛行速度的提高，就要求設(shè)計(jì)制造出更有效的部件——擴(kuò)壓器，燃燒室，尾噴管。有的國(guó)家正在計(jì)劃把沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行速度提高到5－7倍音速，甚至更高(約5300－7400公里/小時(shí))。這就需要解決一系列新的問(wèn)題。例如，首先要求解決熱障問(wèn)題，在M=5飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)壁面與空氣摩擦后溫度可以達(dá)到1000℃左右。燃燒室加熱以后的溫度將達(dá)到2500－2800℃左右，這就需要耐溫能力更高的材料。其次，為了使燃燒室中能加溫到更高的溫度，目前所采用的燃料(煤油)是不行的，這就需要高能量的燃料。

今天已進(jìn)入原子能時(shí)代。因此在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)上使用原子能吸引著許多科學(xué)家，使他們進(jìn)行不懈的研究。不久的將來(lái)這種理想就會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

在地球大氣的上層，由于太陽(yáng)和宇宙線(xiàn)的作用，部分空氣分解成為離子，當(dāng)這些離子再合成分子時(shí)，就會(huì)放出大量的能量，因此就有可能在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)噴入少量的催化劑，使離子再結(jié)合成分子，放出能量而推動(dòng)飛機(jī)，這樣就根本不必?cái)y帶燃料。這種離子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的航程，可以認(rèn)為是無(wú)限的。