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发表时间 : 2020-2-2 00:00:14 | 浏览 : 12038    评论 : 2

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        冲压发动机这个话题,没数错的话应该是第二次谈了,为什么要专门拿一期出来讲呢,其实我一直认为航空发动机是一种非常浪漫的东西,可能奇葩了点但是看着那些紧密排布的涡轮叶片,就莫名有点爽,而冲压发动机呢,应该就是发动机家族里面那个“最奇特的仔了”——精简到极致,常见的涡轮风扇发动机,就需要进气道、涡前风扇、压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、排气道组成,而在这其中光是压气机就是由很多个扇叶紧密排布而成,比如波音737-800客机所使用的美国通用电气公司CFM56-7型轴流式涡扇发动机,其压气机由3级低压压气机和9级高压压气机组成,意思就是这种发动机靠12排发动机紧紧相接来压缩空气以提高内能,而冲压发动机呢?Emmmmm,well,没有,是的,冲压发动机没有任何压气机部件,甚至,连涡轮部件都没有——冲压发动机更像是一条吸管,但极其简单的结构带来的是巨大的动力,事实上,冲压发动机是所有航空发动机种类中推进效率最高的发动机之一,它就像班里面最默默无闻但是考的最好的那个,如果是航空发动机是一种浪漫的话,那冲压发动机就是浪漫中的那一丝暴力。

【临云行】·学玄进走17:冲压发动机

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(自上而下分别为涡轮喷气式发动机、冲压喷气发动机、超燃冲压喷气发动机)


       详细说一下冲压发动机的结构吧,它由进气道、燃烧室、尾喷管组成,对,就这么简单,其中进气道和尾喷管就是带有几何形变的管子,而燃烧室呢,无非就是多了一圈燃油喷嘴,没了,除了固体燃料火箭发动机,我想不到其他结构更简单的航空发动机了,那么为何冲压发动机能够把结构压缩至如此精简呢?首先我们要来温习以下空气这种玩意儿,空气不同于水,空气是可以被压缩的,而体积变小内能就会增大,准确来说就是让空气受阻减速,减速的过程中静压会增大,这就是冲压发动机不需要压气机的原因,空气自身的压缩就已经能产生足够的能量点燃燃油了,那么如何压缩空气呢,也很简单,变直径进气道就能接搞定,用进气道内壁“限制住”空气,就像你朋友用吸管吸饮料时你去捏住他的吸管,一个道理,但是,要使得空气能够压缩到内能足以直接点燃燃油,这是有前提要求的,单位时间内压缩的空气量,很明显,如果在进气道末端进气道直径太小的话虽然能提高压缩的能力,但同时也会增大阻力,就像吸管捏太紧饮料吸不上来一样,那么就需要靠同等时间内流过的空气的量的增加来增大压缩,也就是在空气流速加快的情况下,空气流速快的话单位时间内能压缩的空气就更多,产生的内能就更大,也就是说冲压发动机是需要在一定速度之下才能工作的,要记住冲压发动机没有任何点火部件,因此这就是冲压发动机的限制之处——需要达到一定的速度。


【临云行】·学玄进走17:冲压发动机

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       说完结构来说一下冲压发动机的工作原理吧,根据牛顿第三定则,一个力作用于一个物体之上,那么就会产生一个与这个力大小相同方向相反的力作用于施力物体上,也就是作用力和反作用力,任何航空发动机都是以这个原理来产生推力的,即发动机喷射出高速气流从而产生一个反作用力作用于与发动机连接的飞机机体之上从而推动飞机,那么这股高速气流怎么来的呢?就如上面所说,冲压发动机通过进气道使高速气流减速从而增加静压提高内能,在气流的内能因压缩被提高到最高点时(此时空气温度已远远超过航空燃油的燃点)燃烧室内的环状燃油喷口会喷射燃油,燃油会被瞬间点燃,此时燃烧室内的气体体积剧烈膨胀,温度急剧上升,接着这股空气和燃料的混合物就会以更高的速度排出发动机,也就是所谓的“喷气”,因此才会产生推力,事实上这也是目前所有喷气式航空发动机的工作原理——只是过程不同而已,涡轮式特别是涡扇,其主要动力来源还是涡轮前风扇。

       那么为什么我说冲压发动机推进效率非常高呢?要知道,功分为两种,有效功和无用功,放在发动机上就是有效推力和无效能量损失,也就是因为摩擦等而以热量的形式消耗的一部分能量,在其他类型的航空发动机上,除了火箭发动机和脉冲发动机,其他类型的发动机有非常复杂的涡轮部件和传动结构,这些存在摩擦,也就都存在能量损耗,而冲压发动机呢?由于其结构简单,能量损耗实际上非常小,并且,速度越高,冲压发动机的相对效率就越高,而且相对于其他种类的发动机(还是得除去火箭发动机),冲压发动机的经济性是非常高的,结构简单、推力大、效率高,可以说,冲压发动机是满足持续高速飞行的最佳选择。

【临云行】·学玄进走17:冲压发动机

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(右为勒杜克O.10,可见其特殊的双身管结构)


       那么接下来我回归文科生本质来讲讲历史吧,看我说好像冲压发动机很高端的样子应该得是近十几年才有的产物吧,well,事实上冲压发动机的概念早在1913年就已经提出了,法国工程师雷纳·洛伦于1913年在《Aérophile》(大概是“航空器”的意思,我不懂法语实在抱歉)杂志上发表了冲压发动机的概念并且申请了专利,但是由于当时技术的限制(要知道1903年飞机才刚刚诞生),直到雷纳·洛伦去世时他的冲压发动机理论一直没有成为现实,但其实也不远了,1933年,就在雷纳·洛伦去世后几个月,法国航空工程师雷纳·勒杜克申请了与雷纳·洛伦的理论相近的“热力推进喷管”专利,1934年法国军方开始资助雷纳·勒杜克以支持其“热力推进喷管”理论成为现实,在制造了几架成功的模型和实验机后,1937年法国空军部正式与雷纳·勒杜克签订合同,要求勒杜克制造一台实用的冲压发动机与与其配套的飞机,顺便一提,这也是法国第一种喷气式飞机,最终的成果就是勒杜克O.10,1938年勒杜克O.10的模型参加了巴黎航展,1939年勒杜克O.10的机身完成制造,但接下来发生啥大家也都清楚吧,1940年纳粹德国占领法国全境,勒杜克O.10项目陷入停滞,1945年二战结束,法国又恢复了勒杜克O.10项目,虽然当时的法国穷的一批但还是艰难的进行着该项目,法国人采用的是机载子母机发射方式,即母机背着子机,也就是背着勒杜克O.10,1946年第一架验证机完工,同年就开展了组合体试飞,1947年进行了子机无动力滑翔试飞,1949年4月21日,法国第一架喷气式飞机同时也是世界上第一种使用冲压发动机的飞机成功的进行了动力试飞,在之后的飞行中勒杜克O.10达到了0.85马赫的最高速度,成为了当时飞的最快的法国飞机,最后在1954年,勒杜克O.10在进行了83次飞行后退出了历史舞台,进入法国航空航天博物馆颐养天年,与达索“幻影Ⅲ”战斗机、英法“协和”超音速客机一起述说着当时法国航空工业的最高成就。


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(SS-N-22“日灸”反舰导弹,采用了冲压发动机,弹体周围的就是发动机进气口)


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(NASA的X-43高超音速飞机,使用超燃冲压发动机达到9.8马赫的速度记录)


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(美国SR-71“黑鸟”侦察机和其使用的J-58型涡轮-冲压组合式变循环发动机)


       说完了历史,那么冲压发动机的现状呢?由于其超高的推进效率和能达到的巨大推力,也许雷纳·洛伦会很开心吧,冲压发动机在今天已经应用在很多方面并且都取得了非常不错的成绩,比如应用在导弹上,苏联/俄罗斯SS-N-22“日灸”反舰导弹,最大飞行速度可达3马赫,是一种高速突防的极具威慑性的反舰武器;另外还有在高速飞行器上的应用,比如美国NASA的X-43高超音速飞机,采用了冲压发动机的衍生产物超燃冲压发动机,2004年11月X-43在实验中飞出了9.8马赫的人类最快飞行器记录,至今未被打破;此外还有在高速靶机上的使用,由于涡轮喷气式的精密程度使得其发动机造价偏高,因此冲压发动机极其简单的结构成为了高速靶机的动力的不二之选,目前有很多靶机使用了冲压发动机以降低射靶训练成本;最后还有在飞机上的使用,这里指的是有人的高速飞机,使用冲压发动机作为动力的载人飞机,最著名的莫过于美国洛克希德·马丁公司的SR-71“黑鸟”侦察机了,这种飞机能够达到3.8马赫的最高速度,而且,这是20世纪60年代的产物,别出心裁的,SR-71采用了一种叫做“涡轮-冲压组合式变循环发动机”的东西来解决冲压发动机无法在低速下使用的问题,当然,这种带有魔幻色彩的玩意儿就是我在下一期会讲的内容。








“让我们一起,飞遍全世界!” · 临云行
Teretong 评论于2020-2-7 01:08:07 来自手机触屏版 |私信

                               
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ZJ-small 评论于2020-2-9 03:38:08 来自手机触屏版 |私信
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