王琛

【摘 要】我國科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展趨勢，在對高超聲速飛行器動力系統(tǒng)方面進行的研究取得了較大成績。本文將對高超聲速飛行器動力系統(tǒng)進行研究，并介紹一些較為典型的高超聲速吸氣式發(fā)動機，然后簡要闡述該系統(tǒng)的特點、工作原理以及組成，希望通過本文的闡述可以對相關(guān)人員的研究起到一定借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】高超聲速飛行器；動力系統(tǒng)；研究進展

一、概述

如果飛行器使用超高音速進行飛行，它們發(fā)動機的動力形式是以吸氣式或者組合式為主。一般情況下，飛行器在跨大氣層、大氣層飛行時，它們的飛行速度不會超過Ma5的速度，以這個速度作遠程巡航飛行。高超聲速飛行器飛行在大氣層、跨大氣層時，飛行速度會超過Ma6至Ma15之間，該飛行器使用的飛行速度比飛機還要快。此外，吸氣式作為高超聲速飛行器的發(fā)動機動力形式，這與火箭相比具有更高的比沖，并可以將其進行重復(fù)使用，這在一定程度上使空間運輸成本得以降低。高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展帶動了高端的高超聲速巡航導(dǎo)彈、空天飛機等尖端飛行器的出現(xiàn)。隨著高超音速飛行器的推進、發(fā)展，實現(xiàn)了人們進入太空的夢想。

二、高超聲速飛行器動力系統(tǒng)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，動力系統(tǒng)也在發(fā)生不斷改變，相關(guān)專家不斷對高超聲速飛行器的優(yōu)勢進行研究，并對該飛行器進行不斷完善。如果高超音速的飛行器飛行速度達到了3馬赫以上，會出現(xiàn)較強壓縮情況，該情況是由于氣道激波所導(dǎo)致的，這時的壓氣機已經(jīng)不能滿足飛行要求，就需要使用沖壓發(fā)動機。如果巡航飛行速度在6馬赫以上，氣流的溫度就會逐漸增加，這時傳統(tǒng)的亞聲速燃燒沖壓發(fā)動機的工作效率難以達到要求，使用組合循環(huán)發(fā)動機就可以維持正常的工作效率?？梢?，要想使超燃沖壓發(fā)動機得以正常工作，就要對發(fā)動機的速度進行保障，如果飛行速度在Ma4至Ma6時，會使發(fā)動機的工作效率受到影響，當(dāng)飛行速度低于Ma4時，發(fā)動機就會處于癱瘓狀態(tài)。要想讓飛行器能夠更加自由的進行水平起降，同時可以進行多次使用，就需要對組合循環(huán)動力系統(tǒng)的有效性進行保障。此外，可以利用爆震燃燒自身的優(yōu)點，比如燃燒反應(yīng)快、距離短、高熱力循環(huán)效率等，這些優(yōu)點增加了燃燒發(fā)動機使用爆震的可能性，因此可以將其應(yīng)用在高超聲速飛行器上。

三、典型發(fā)動機基本原理、系統(tǒng)組成

1.爆震發(fā)動機

（1）連續(xù)爆震發(fā)動機

螺旋爆震是爆震燃燒的形式之一，由于爆震波傳播方向與來流的方向是垂直的，所以它是通過橫向爆震波燃燒，其形成的爆震結(jié)構(gòu)沒有明顯的三波點結(jié)構(gòu)，這與其它爆震波相差很大。

于脈沖爆震發(fā)動機而言，螺旋爆震發(fā)動機中的爆震波基本上都是處于連續(xù)工作的狀態(tài)，所以這種發(fā)動機被稱為連續(xù)爆震發(fā)動機。

（2）脈沖爆震發(fā)動機

該發(fā)動機的理念是最受關(guān)注的，這種發(fā)動機的結(jié)構(gòu)相對簡單，其主要結(jié)構(gòu)為推力噴管、爆震管。依據(jù)脈沖爆震發(fā)動機的工作特點，可以將其工作分為三個過程，分別是充氣、爆震以及排氣，這三個過程是循環(huán)開展工作的。該發(fā)動機的進氣過程為：將進氣閥門打開，給爆震管充入相應(yīng)的混合氣體。該發(fā)動機的爆震過程為：當(dāng)可燃混合氣體的充入達到要求時，就是可燃氣體的接觸間斷已經(jīng)達到了相應(yīng)的位置，這時就可以將進氣閥門關(guān)閉，并觸發(fā)相應(yīng)的點火裝置，使混合氣體點燃并迅速形成穩(wěn)定爆震向右傳播。該發(fā)動機的排氣過程：該過程主要是通過爆震波在推力噴管處誘導(dǎo)的稀疏波來實現(xiàn)的，當(dāng)爆震管內(nèi)的壓力降到了一定范圍內(nèi)，進氣閥就會開啟，然后開始重復(fù)下一個進氣過程。

由于PDE在經(jīng)過爆燃向爆震轉(zhuǎn)變后變成了爆震燃燒模式，這種模式下的熱力循環(huán)效率比較高，這比吸氣推進裝置的熱效率更高，并且這種結(jié)構(gòu)相對簡單。

脈沖爆震發(fā)動機工作的適用范圍比較廣，不但可以進行單獨使用，還可以與渦扇發(fā)動機、沖壓發(fā)動機以及火箭發(fā)動機等組合成混合發(fā)動機。渦扇發(fā)動機與脈沖發(fā)動機相結(jié)合可以組成混合式脈沖爆震發(fā)動機，在渦扇發(fā)動機的外涵道上布置爆震管，爆震管會依次工作，并產(chǎn)生相應(yīng)的推力，這兩者相結(jié)合可以增大渦扇發(fā)動機的推力，進而使油耗得以降低，同時使尾氣中氮氧化合物的排放得以降低。

2.超燃沖壓發(fā)動機

沖壓發(fā)動機是吸氣式發(fā)動機中的一種，它主要以大氣中的氧氣作為氧化劑，通過氧化劑與自身攜帶的燃料進行反應(yīng)。該發(fā)動機與壓氣機增壓的航空發(fā)動機存在較大區(qū)別，其對高速氣流進行壓縮主要是通過利用結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生激波來實現(xiàn)，進而使氣流增壓、減速得以實現(xiàn)。沖壓發(fā)動機的工作原理是：高速氣流減速增壓通過進氣道來完成，空氣、燃料在燃燒室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后經(jīng)過燃燒將化學(xué)能變?yōu)闅怏w的內(nèi)能，最終氣體經(jīng)過噴管膨脹加速，然后將沒有用的氣體排入大氣中，這時噴管出口的氣體速度明顯要高于進氣道入口的速度，致使發(fā)動機向前的推力得以產(chǎn)生。

傳統(tǒng)的沖壓發(fā)動機先要通過進氣道來降低氣體進入的流速，將流速降低在控制范圍之內(nèi)，然后在氣體中噴注燃料、組織燃燒，這樣的發(fā)動機被稱為亞燃沖壓發(fā)動機。當(dāng)飛行器的飛行速度大于Ma5時，就需要對氣流的速度進行控制，如果沒有控制好氣流速度，就可能導(dǎo)致燃燒室入口氣流靜溫迅速上升，這就會給熱防護、發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計造成一定困難；此外，如果發(fā)動機出現(xiàn)了高靜溫，就可能使煤油分解，致使熱量無法加入，發(fā)動機也就不能產(chǎn)生推力；如果高超聲速氣流壓縮到低速就會產(chǎn)生一定的激波損失，進而使推力性能得以降低，這些因素影響了亞燃沖壓發(fā)動機的應(yīng)用。為了有效的解決以上問題，超燃沖壓發(fā)動機讓氣流以超聲速進入燃燒室，在超聲速氣流中組織燃燒，通過這樣的方式降低來流靜壓、靜溫以及總壓損失，進而使發(fā)動機的高性能得以實現(xiàn)，使該裝置被廣泛的應(yīng)用在高超聲速飛行器中。

四、動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

高超聲速飛行器與傳統(tǒng)的航空、航行動力系統(tǒng)相比，其動力系統(tǒng)的設(shè)置原理與它們存在較大區(qū)別，該飛行器在傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新，并且在其中加入了大量的原創(chuàng)技術(shù)。要想使高超聲速飛行器得到更好的應(yīng)用，就需要對動力系統(tǒng)中難點問題進行分析，進而制定出有效的解決措施。

于動力系統(tǒng)方面而言，會遇到諸多難點，比如如何完成高效進氣和壓縮、高效混合與燃燒等。相關(guān)人員需要對這些問題進行研究，遇到難點問題就需要進行仔細研究，然后將這些難點問題進行解決，進而使動力系統(tǒng)技術(shù)變得更加成熟，使高超聲速飛行器得以順利工作。在解決這些問題時，需要相關(guān)研究人員通力合作，大家相互配合、相互研究，進而制定出更加科學(xué)、全面的解決方案。將這些問題進行有效解決，可以使高超聲速飛行器動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破，比如，在設(shè)計中如何降低進氣道阻力的技術(shù)，在設(shè)計中如何實現(xiàn)進氣道高性能的技術(shù)，進氣道中如何設(shè)計寬范圍的技術(shù)等。通過這些關(guān)鍵技術(shù)的有效突破，可以使高超聲速飛行器得到進一步發(fā)展，使飛行器的性能逐步提高，進而擴寬其使用范圍。

五、結(jié)束語

本文主要從高超聲速飛行動力系統(tǒng)的現(xiàn)狀入手，對該飛行器的組成形式、難點、關(guān)鍵技術(shù)以及工作原理等內(nèi)容進行分析。通過本文研究得知，相關(guān)人員對該飛行器進行了大量研究，并且取得了一些突破性的進展，但是要想使該飛行器得到更好的優(yōu)化與發(fā)展，就需要對飛行器的動力系統(tǒng)進行大量研究，進而使動力系統(tǒng)的性能得以優(yōu)化，為超高聲速飛行器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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