徐　颯

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對飛行器飛行速度與高度的要求越來越高。而作為高空高速飛行器的動(dòng)力裝置之一——沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，也越來越使人們感到興趣。那么，沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是如何產(chǎn)生的？為什么它適合高空高速飛行？目前又用在那些方面？……本文想就這幾個(gè)問題作十分粗淺的介紹，供作這方面有興趣的同志參考。

第二次世界大戰(zhàn)以前，人們只是用活塞式螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力裝置，飛行最大速度約756公里/小時(shí)。最大飛行高度在10公里左右。飛行速度、若再增加；一方面在螺旋槳葉尖的速度可能到達(dá)“音速”(空氣中聲音傳播的速度)而出現(xiàn)“沖波”，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率大大下降(這在航空界術(shù)語稱之為“音障”——即由于飛行速度到達(dá)音速時(shí)的障礙)。另一方面若要發(fā)出更大的馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的重量也大大增加。

為了階級(jí)斗爭與生產(chǎn)斗爭的需要，要求跨過音障作超音速飛行，因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中能發(fā)出需要的推力，并且本身重量很小。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1)就具有這樣特性，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的有效推力(可用來推動(dòng)飛行器飛行的推力)是同樣重量的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)所不能達(dá)到的，因此在第二次世界大戰(zhàn)后，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)得到迅速發(fā)展，使飛行速度提高到超過音速二倍左右，高度達(dá)25公里左右。目前各科學(xué)家還在研究不斷提高這個(gè)指標(biāo)，但碰到了不少有趣的問題：

例如隨著飛行速度再大，高度再高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的滯止壓力與滯止溫度(若不考慮氣動(dòng)損失，即氣流由某一飛行“M數(shù)”(飛行器的飛行速度W與音速a之比值)滯止到W=O的壓力與溫度算滯止壓力與滯止溫度)大大上升，在飛行速度四倍音速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口內(nèi)壓力可達(dá)大氣壓的幾十倍而溫度達(dá)900°K，這樣就給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了許多問題。如壓氣機(jī)葉片的材料受不了這樣高的溫度；進(jìn)口氣流溫度高了，而渦輪葉片及燃燒室材料受耐溫限制，使燃燒室出口溫度不能很高，于是加熱量相對減少，即推力增加受到限制。

進(jìn)口壓力這樣高，用不用壓氣機(jī)，其意義不大了。

因此人們就想：在高空高速飛行中，是否可以有不要轉(zhuǎn)子部份(壓氣機(jī)和渦輪)而重量又輕的一種發(fā)動(dòng)機(jī)？這就是沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，因此沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)就被提到使用的日程上來了。

沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的概念早在十八世紀(jì)就已提出了，只不過當(dāng)時(shí)受到生產(chǎn)技術(shù)落后的限制及人們也還沒有需要到這樣高速度的飛行而沒有得到應(yīng)用吧了。

那么沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)到底是如何工作的？它又有些什么特點(diǎn)呢？

圖2是一臺(tái)外壓式進(jìn)氣道的超音速?zèng)_壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作示意圖，也是目前各國應(yīng)用最多的一種沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的方案圖。它和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣也是由進(jìn)氣道、燃燒室，尾噴管三部份組成，不過和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所不同的是沒有壓氣機(jī)和渦輪，而是依靠本身高速飛行時(shí)的動(dòng)能對進(jìn)口氣體進(jìn)行沖壓(沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的名稱也是由此而得)使進(jìn)入的氣流速度大大下降，而壓力大大上升，形成了一股低速高壓氣流。這股氣流進(jìn)入燃燒室后，先與燃料摻合，然后點(diǎn)火燃燒，使氣體溫度提高，再通過超音尾噴管(液體力學(xué)上稱為拉瓦爾噴管)膨脹加速噴出，這時(shí)噴出的氣流動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了進(jìn)口氣流的動(dòng)能，這個(gè)進(jìn)出口的動(dòng)能差(或動(dòng)量差)所表示出來的反作用力就是沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。推力之大要比同樣重量的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的推力大得多。

它的特點(diǎn)首先是適于作為高空特別是在超過音速三倍到七倍，高度在10公里到30公里之間，飛行器的動(dòng)力裝置，它既能滿足推力要求，又能滿足經(jīng)濟(jì)性良好的要求。

在這種條件下要渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作是很困難的，因?yàn)橥屏Σ粔?，另一方面材料問題也還沒有解決，采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力雖然很大但經(jīng)濟(jì)性卻很差。

其次它的結(jié)構(gòu)簡單而重量輕。最輕的沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)只有二至三公斤：主要關(guān)鍵在于它沒有壓氣機(jī)與渦輪。減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量正是要航空設(shè)計(jì)家們挖空心思的對象。

圖1渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作示意圖

1.壓氣機(jī)2.燃燒室3.渦輪4.尾噴管

圖2沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作示意圖

1.中心錐2.噴油嘴3.穩(wěn)定器

A一進(jìn)氣道Б—燃燒室B一尾噴管

再有沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的制價(jià)成本是最低廉的。目前還沒有一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)比得過它，它的缺點(diǎn)是因?yàn)樗鼘M(jìn)口氣流的壓縮是靠本身高速飛行的動(dòng)能，所以在低速飛行時(shí)效率低，而且經(jīng)濟(jì)性極差，特別是在地面不能自己啟動(dòng)。因而沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不能作為高速飛行器的單一動(dòng)力裝置。必須與其他型式動(dòng)力裝置配合使用。

據(jù)現(xiàn)有的一些公開資料看來，沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的用途有下列幾方面。

在低亞音速飛行中有用作飛機(jī)加速器的即在主發(fā)動(dòng)機(jī)的功率到達(dá)極限以后，用它來再進(jìn)一步增加速度。1939年蘇聯(lián)設(shè)計(jì)家И.А.密爾估洛夫就設(shè)計(jì)制成了兩臺(tái)沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的加速器，它的本身重量才12公斤，而推力卻是主發(fā)動(dòng)機(jī)的八倍。還有作為殲擊機(jī)與直升機(jī)的動(dòng)力裝置，例如美國希勒公司制造的H－32型直升飛機(jī)，就是用沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝在七米長的雙旋翼尖端來飛行的，其優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠便宜，而且不需要抵消機(jī)身所受之反應(yīng)偏扭力的設(shè)備，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是直接裝在飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部份上的。由于上面所介紹的缺點(diǎn)它在亞音速飛行上應(yīng)用不多。

在高超音飛行器上應(yīng)用很廣泛：例如作為有翼超音遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置；超音速殲擊機(jī)的動(dòng)力裝置，用火箭或渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)起飛之后，靠沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)飛行。還有用作防空導(dǎo)彈上第二級(jí)的動(dòng)力裝置，和不可操縱飛行器的動(dòng)力裝置。

目前有些國家的航空設(shè)計(jì)家們正在研究把沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用于民航上，例如和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)配合作超音速飛機(jī)的動(dòng)力裝置，這不僅可以大大提高飛行速度縮短運(yùn)輸時(shí)間，更重要的是它能使經(jīng)濟(jì)性大大提高，進(jìn)一步為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。