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飛行器 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)漸成熟，高超聲速飛行器來(lái)臨，軍事應(yīng)用影響深遠(yuǎn)

動(dòng)力裝置是飛行器的心臟，高超聲速飛行器對(duì)動(dòng)力裝置的要求更高，當(dāng)然難度也要大的多。與常規(guī)飛機(jī)相比，高超聲速飛行器除了飛行速度要快得多，還往往要進(jìn)行“跨介質(zhì)”工作，也就是在大氣層內(nèi)和臨近空間等環(huán)境中都能夠正常工作，而常規(guī)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)只能在大氣層內(nèi)工作。


飛行器 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)漸成熟，高超聲速飛行器來(lái)臨，軍事應(yīng)用影響深遠(yuǎn)
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目前而言，高超聲速飛行器的飛行環(huán)境大致可以分為三個(gè)空間：
一是距離地面大約30千米以內(nèi)，這是目前絕大多數(shù)常規(guī)飛機(jī)飛行的空間，主要?jiǎng)恿κ菧u輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。
二是距離地面30~60千米的范圍，由于地球引力變小，空氣非常稀薄，渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法獲得足夠的空氣，燃燒室無(wú)法穩(wěn)定工作，甚至?xí)ɑ稹?shí)際上，目前大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)用升限都在25千米以下，只有SR-71“黑鳥(niǎo)”能在30千米高空飛行，這主要得益于它獨(dú)特的雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。在空氣稀薄空間進(jìn)入2倍聲速工況時(shí)，這臺(tái)J58渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)搖身一變成為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，將空氣壓縮后注入加力燃燒室，解決了稀薄空氣中穩(wěn)定燃燒所需的氧化劑問(wèn)題。
三是距離地面60千米以上，大約60~100千米甚至更高的位置，這里的空氣已經(jīng)稀薄到連沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都無(wú)法工作的地步，屬于與外太空環(huán)境類似的臨近空間，此時(shí)就需要使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推動(dòng)。


飛行器 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)漸成熟，高超聲速飛行器來(lái)臨，軍事應(yīng)用影響深遠(yuǎn)
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可見(jiàn)，飛行器要在各種空間環(huán)境中飛行，就需要有適應(yīng)不同環(huán)境的多種動(dòng)力裝置，或者使用多種動(dòng)力的組合形式，比如將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來(lái)，或者將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來(lái)。在諸多的動(dòng)力選擇中，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了非常重要的位置，無(wú)論哪一種動(dòng)力組合，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都幾乎是必不可少的動(dòng)力類型。
高超聲速飛行器要在高空稀薄的空氣中以3馬赫以上的高速飛行，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)要比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)得多。具體來(lái)說(shuō)，高速飛行會(huì)造成很高的溫度，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片會(huì)受高溫?zé)g，以現(xiàn)有材料技術(shù)，渦輪葉片能承受的最高速度不能超過(guò)3馬赫。而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有導(dǎo)向葉片和壓氣機(jī)等結(jié)構(gòu)，不存在活動(dòng)的、可被融化的部件，因此成為高超聲速飛行器的最佳選擇。
盡管當(dāng)前各國(guó)現(xiàn)役導(dǎo)彈上裝備的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不在少數(shù)，但這些實(shí)際上都應(yīng)該稱之為“亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)”。所謂亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，就是在超聲速飛行中，在進(jìn)口處設(shè)置一個(gè)用于將來(lái)氣流速度降低到聲速以下的擴(kuò)散裝置，使氣流進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒時(shí)，處于亞聲速狀態(tài)，因此就稱為“亞燃”。而高超聲速飛行器的速度比亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)要求的更髙，一般超過(guò)5馬赫，此時(shí)如果使用擴(kuò)散裝置降低氣流速度，就會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的滯止效應(yīng)，會(huì)有大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，直接體現(xiàn)就是燃燒室溫度急劇升高，甚至?xí)_(dá)到3000度，這是當(dāng)前的材料無(wú)法承受的。


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為了在不使用擴(kuò)散裝置的情況下，讓氣流直接以高超聲速通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)并燃燒，這就是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。它是通過(guò)極高的速度將空氣吸入，并將空氣壓縮并達(dá)到上千度的高溫后，與燃料混合燃燒產(chǎn)生巨大推力。使用超聲速燃燒能減少氣流壓縮和膨脹損失，降低氣流溫度和壓力，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)負(fù)荷。
使用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，使得高超聲速飛行器的理論飛行速度能夠達(dá)到5馬赫以上，甚至理論上沒(méi)有極限，只要材料和其他條件允許，它能越飛越快。總體來(lái)說(shuō)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速飛行器的動(dòng)力，具有其他動(dòng)力技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。


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第一，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大，動(dòng)力性能優(yōu)越。比沖是指消耗單位質(zhì)量的燃料所產(chǎn)生的推力。在30千米以上的空氣稀薄空間，理論上也可以用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖遠(yuǎn)超火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因而推力效果更好。根據(jù)理論計(jì)算，飛行器在30千米高度以5馬赫速度飛行時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的4倍多，也就是說(shuō)，消耗同樣的燃料，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大3倍以上。
第二，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)屬于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，依靠吸入高速空氣來(lái)燃燒運(yùn)行，不需要自身攜帶氧化劑。而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須攜帶足夠多的燃料，其中氧化劑占到推進(jìn)劑總量的80%，嚴(yán)重占用了飛行器的載荷和內(nèi)部空間。

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