冲压喷气发动机

魏佑海

概述

冲压喷气式发动机(简称冲压发动机)是一种构造非常简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行的空气喷气发动机(见图1及图2)。

图1亚音冲压喷气发动机

图2超音冲压喷气发动机

整个发动机只有三个主要部件——扩压器，燃烧室和尾喷管。它一般使用煤油做为燃料。推力的产生与涡轮喷气发动机一样，是由于高速排气所产生的反作用力。其情况是：当飞机运动时，空气流以高速冲进发动机中，于是空气速度就下降，压力便上升。当压力刚刚达到最大值时，就由喷油嘴喷射燃料(煤油)，开始燃烧，使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大，然后这种炙热的空气与燃烧产物相混合的气体，便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。喷气流的速度比进口的空气速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飞机运动。气流喷出速度愈大，推力也就愈大。

虽然它只由很简单的三个管道形的部件构成，但是它可以发出非常大的推力，并且推力随飞行速度的增大而迅速增大。例如，一个横截面只有1平方公尺的冲压发动机在11公里高空，以速度为3.5倍音速飞行时(M=3.5)，可以产生推力大约是30，000公斤(即30吨)。这时它推进的功率达到414，000匹马力，这相当于200个火车头的功率。若是在低空飞行，由于空气密度大功率还要增加。这样一台发动机有多重呢？最多不会超过1吨。从这里可以看到它强大的工作能力。

由于它具有这种优良的特点——推力大、重量轻，因此非常适合于高空高速飞行。目前的最高速度约为4倍音速(相当于4400公里/小时)，高度可达30公里以上。但这数值还不是它的极限，估计以后它的飞行高度、速度还要进一步提高。

根据使用的范围，冲压式发动机可以分为亚音速及超音速两种。

它的主要缺点是，在静止时没有推力，因此无法自己起飞，使用中应该有起飞辅助动力。其次在低速度飞行时经济性差。

冲压发动机的用途及使用情况

亚音速冲压发动机，由于经济性差，目前很少作为飞机的动力装置。但是它构造简单，发动机制造成本很低，因此常作为靶机(靶机是防空部队打靶时作为射击目标用的飞机，里面没有人)的动力装置。有时也用做亚音速导弹的发动机。

将亚音速冲压发动机装在直升机的旋翼尖端，可以用来转动旋翼。这种型式的动力装置除了构造简单以外，并且直升机不承受旋翼转动的反作用力矩，因而也就没有必要像一般直升机一样，在尾巴上安装抗扭螺旋桨。

应该强调指出冲压发动机的优点主要表现在超音速飞行，因此其使用范围也主要是在超音速。下面介绍一些超音速冲压发动机的使用情况。

超音速飞机主要用作歼击机与轰炸机的动力装置。例如正在研究中的一种，是把冲压式发动机与涡轮喷气发动机组合使用，后者放在冲压发动机的进气道内。起飞时使用涡轮喷气发动机，冲压发动机在M=0.4时起动，设计的飞行速度为音速的4倍(M=4)(图3)。此外还有一种在研究中的轰炸机，其设计飞行速度为M=4，巡航高度H=30，000公尺，最大航程为16000公里，目前尚未获得成功。

图3装有冲压式发动机的超音速飞机

洲际飞航导弹由于冲压发动机可在高速下飞行，并且经济性很好，做为远程导弹，无论从军事上或经济上来考虑都很好，所以各国都在积极的从事研究。有一种正在研究中的洲际飞航导弹，其飞行速度约为音速的3.0－3.5倍，高度约为21－24公里。航程大于8000公里。

中程近程导弹在射程从几十公里直到2400公里范围内的中程及近程导弹上，目前经常采用冲压发动机。这种导弹可以是地对地，空对空，也可以是地对空。例如有一种装有冲压式发动机的地对地导弹飞行速度M=3.5，飞行高度24公里，航程2400公里。另一种空对空导弹从歼击机发射，可以用来攻击轰炸机或其他飞机，速度是音速的3倍。还有一种正在生产中的防空导弹，由地面发射，速度为M=2－2.5，这些导弹均采用冲压式发动机作为动力装置。

此外，为了训练歼击机及导弹武器射击用的超音速靶机，使用冲压发动机也是非常经济的，因为这种发动机成本比其他发动机要便宜得多。

苏联在喷气技术上已经大大超过资本主义国家，在冲压喷气发动机的生产、科学研究的成果上也远远走在资本主义国家的前面。

冲压发动机的发展

冲压发动机是一种新型的、用于高速飞行的、尖端航空科学技术。它正在日新月异的迅速发展。在这个领域内，有着广泛的复杂问题需要研究解决。

随着飞行速度的提高，就要求设计制造出更有效的部件——扩压器，燃烧室，尾喷管。有的国家正在计划把冲压发动机的飞行速度提高到5－7倍音速，甚至更高(约5300－7400公里/小时)。这就需要解决一系列新的问题。例如，首先要求解决热障问题，在M=5飞行时，发动机壁面与空气摩擦后温度可以达到1000℃左右。燃烧室加热以后的温度将达到2500－2800℃左右，这就需要耐温能力更高的材料。其次，为了使燃烧室中能加温到更高的温度，目前所采用的燃料(煤油)是不行的，这就需要高能量的燃料。

今天已进入原子能时代。因此在冲压发动机上使用原子能吸引着许多科学家，使他们进行不懈的研究。不久的将来这种理想就会变为现实。

在地球大气的上层，由于太阳和宇宙线的作用，部分空气分解成为离子，当这些离子再合成分子时，就会放出大量的能量，因此就有可能在发动机内喷入少量的催化剂，使离子再结合成分子，放出能量而推动飞机，这样就根本不必携带燃料。这种离子冲压发动机的航程，可以认为是无限的。