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发动机科普知识（35）：超高速飞行器用发动机将使人类进入空天飞行的新时代

发布时间：2015-11-27
发动机科普知识（35）：超高速飞行器用发动机将使人类进入空天飞行的新时代

    超高速飞行器是指飞行马赫数大于4以上的飞行器。高超声速飞行技术具有前瞻性、战略性和带动性，是21世纪航空航天技术领域的制高点，并将为航空航天技术带来突破性的革命，使人类继20世纪突破声速进入超声速飞行时代后，进入到21世纪的高超声速及空天飞行的新时代，具有划时代的重大意义。动力装置是能否实现高超声速飞行的主要关键技术。在高空高速工况下，燃气涡轮发动机已经失去了优势，必须依靠其他动力形式，如超燃冲压发动机、火箭发动机、超声速强预冷发动机等，或与其他动力形式形成组合动力。
    超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压喷气发动机，采用液氢或碳氢燃料，可在马赫数6-25、飞行高度30～60公里的范围内工作。与火箭发动机相比，这种发动机无需自带氧化剂，使有效载荷大大增加，可作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨的空天飞机的动力装置。
    为了兼顾安全性、经济性和作战效能的综合要求，高超声速飞行器的飞行范围十分宽广，这就要求其动力装置在如此宽广的飞行包线内长航程、重复使用中能够稳定可靠地工作，目前任何一种单一类型的发动机都不能满足上述要求，必须发展组合动力。组合推进系统主要分为三大类：涡轮基组合循环（TBCC），也称作涡轮冲压组合发动机；火箭基组合循环（RBCC），也称作火箭冲压组合发动机；以及RBCC/TBCC集成循环。其中TBCC和RBCC是最有希望的高超声速组合动力形式。
    在超声速飞行过程中，随着飞行马赫数提高，发动机进气滞止温度不断增大，在M数为5时，进气温度高达1315K，这导致压气机难以正常工作，燃烧室加热量降低，以及严峻的材料问题。以尽量小的发动机重量增加为代价，实现对来流气流的预先冷却，保证进气温度降低到发动机能正常工作的温度，是解决这些问题的有效途径。英国最近发展了一种紧凑快速强换热器，并成功进行了地面试验验证。该换热器可用于单级入轨航天器的“军刀”（sabre）动力方案和用于高超声速飞行器的“弯刀”（scimitar）动力方案，实际上就是超声速强预冷发动机




采用超燃冲压发动机的高超声速飞行器想象图






涡扇/冲压组合发动机（TBCC）示意图




“弯刀”scimitar发动机示意图