高空高速发动机

飞机的飞行速度和高度每年都在增加。近年来，超音速飞机已经在军事上得到使用，亚音速喷气飞机已广泛地应用于民用航空上。在军事上来说，为了击败敌人的飞机，要求飞机飞得快是不必多言的了。就拿民航来说，谁都愿意搭乘既快而又经济的飞机。例如，若飞机的速度达到每小时六、七千公里(M数约为6)，那么，在一小时内就可以从北京飞到莫斯科，这样，就把航时大大地缩短，将给我们带来很大的方便。因此，人们下一步探索更快的飞机是很自然的，也就是冲压空气喷气发动机将会在飞机上得到广泛的使用，因为它在高速时，可以最有效地工作。

也有人提出火箭飞机，但是，装有冲压喷气发动机的飞机在一定的高度和速度下，在经济上、重量上、航程和有效载荷上远优于火箭飞机。

冲压发动机内没有压气机，也没有涡轮，燃料燃烧所需要的压缩空气，仅仅依靠迎面气流的动能在冲压发动机中实现。而在涡轮喷气发动机中，压气机和涡轮是两个重要的、不可缺少的部件，压缩空气是通过压气机才获得到的。

冲压发动机的参数，在很大的程度上取决于飞行速度M数。这种发动机在地面上不能产生推力，而且，在低速飞行时，它的效率很底。所以，装有冲压空气喷气发动机的飞机，必须要用其它类型的发动机来起动和加速。这是它的缺点。但是，它的优点：迎面推力比涡轮喷气发动机大，单位燃料消耗量和单位重量比涡轮喷气发动机小，仍使它得到应用。

冲压发动机最适合于飞行速度M>3的高超音速范围。在这样的高速下，由于滞止就可把气流压力提高很多。例如，M=3时，如果在压缩过程中没有损失，滞止气流的压力为周围压力的35倍；M=5时，则为560倍。

但是，冲压发动机的压缩过程是在冲波系中进行的(冲波是由于进气道的中间物所形成的)，这一过程带来损失。因此，在M=3和M=5时，压力的提高不是35倍和560倍，而是20倍和170倍。

另外在压缩过程中，空气被加热，当飞行速度M=3时，滞止空气的温度达340°，而当M=4时，滞止空气的温度高达580°。所以，压缩时空气的额外加热，及涡轮和压气机中的流动损失，可以使得涡轮后面的压力在某些M数下比压气机进口处的压力低。当然，在这样的飞行条件下，涡轮压气机就完全不需要了。这时，冲压发动机的单位燃料消耗量和迎面推力比带加力的涡轮喷气发动机还要好得多。因此，当飞行器的飞行速度增加时，滞止温度增加，很自然引向使用没有压气机的冲压发动机。

除飞行速度M外，影响冲压发动机参数的还有燃烧室内燃气的温度。若这温度增加，气流的速度和发动机迎面推力增加，例如，M=3时，温度从1000°增到1700°时，迎面推力增加80%。单位燃料消耗量随着速度的增加起初下降，而后又增加。

由于燃烧室内的温度很高，例如，飞行速度M=5时，燃烧煤油温度约达摄氏4200度。在这样高的温度下，再好的耐热合金材料的强度也会大大地降低，因此，燃烧室壁和尾喷口要求有专门的保护及冷却方法。这些方法可能是在燃烧室内复盖一层别的材料、用燃料冷却室壁或其他方法等。

冲压发动机与涡轮喷气发动机比较，很重要的优点是它的比重小。在飞行速度M=3时，冲压发动机的比重约比涡轮喷气发动机低两倍。此外，它的构造简单，造价低廉。在高空高速无人驾驶的飞行器上可能广泛地应用冲压发动机。

没有涡轮，就可以在冲压发动机中采用高发热量的燃料，这就可以改善飞行器的飞行性能。在冲压发动机中，还可以采用固体燃料，这就不需要一套供给系统等机构，使发动机构造简化，而工作像固体火箭一样可靠。图1就是带固体燃料的冲压发动机方案。

图1

如果发动机的通道(进气道、尾喷管)的几何形状是可以调节的，那将大大地改善冲压发动机的特点和飞行器的性能。

从冲压空气喷气发动机的特点中，可以预料在高空高速飞行中将获得应用。图2就是高速冲压发动机的一种方案。在发动机前部的收敛区中，空气有些滞止，但这时，在燃烧室进口处的空气速度仍是超音速。经喷油咀喷出的燃料，由高温空气来点燃，然后发生爆炸的燃烧。

图2

冲压发动机除作高速飞行器的动力外，还可以用来加速火箭，以及飞行器返地时作操纵飞行用。

然而，制造这样的发动机须要解决很多复杂的问题，例如，燃料燃烧过程的研究，动力装置结构的冷却等。

目前，很多国家正在研究用核原料及利用高空原子态氢的能量的冲压发动机。