高超聲速飛行器動力系統研究進展

王琛

【摘 要】我國科學技術呈現迅猛發展趨勢，在對高超聲速飛行器動力系統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進行研究，并介紹一些較為典型的高超聲速吸氣式發動機，然后簡要闡述該系統的特點、工作原理以及組成，希望通過本文的闡述可以對相關人員的研究起到一定借鑒作用。

【關鍵詞】高超聲速飛行器；動力系統；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的發展帶動了高端的高超聲速巡航導彈、空天飛機等尖端飛行器的出現。隨著高超音速飛行器的推進、發展，實現了人們進入太空的夢想。

二、高超聲速飛行器動力系統概述

隨著科學技術的迅猛發展，動力系統也在發生不斷改變，相關專家不斷對高超聲速飛行器的優勢進行研究，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，會出現較強壓縮情況，該情況是由于氣道激波所導致的，這時的壓氣機已經不能滿足飛行要求，就需要使用沖壓發動機。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，這時傳統的亞聲速燃燒沖壓發動機的工作效率難以達到要求，使用組合循環發動機就可以維持正常的工作效率?？梢?，要想使超燃沖壓發動機得以正常工作，就要對發動機的速度進行保障，如果飛行速度在Ma4至Ma6時，會使發動機的工作效率受到影響，當飛行速度低于Ma4時，發動機就會處于癱瘓狀態。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，就需要對組合循環動力系統的有效性進行保障。此外，可以利用爆震燃燒自身的優點，比如燃燒反應快、距離短、高熱力循環效率等，這些優點增加了燃燒發動機使用爆震的可能性，因此可以將其應用在高超聲速飛行器上。

三、典型發動機基本原理、系統組成

1.爆震發動機

（1）連續爆震發動機

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，其形成的爆震結構沒有明顯的三波點結構，這與其它爆震波相差很大。

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

（2）脈沖爆震發動機

該發動機的理念是最受關注的，這種發動機的結構相對簡單，其主要結構為推力噴管、爆震管。依據脈沖爆震發動機的工作特點，可以將其工作分為三個過程，分別是充氣、爆震以及排氣，這三個過程是循環開展工作的。該發動機的進氣過程為：將進氣閥門打開，給爆震管充入相應的混合氣體。該發動機的爆震過程為：當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達到了相應的位置，這時就可以將進氣閥門關閉，并觸發相應的點火裝置，使混合氣體點燃并迅速形成穩定爆震向右傳播。該發動機的排氣過程：該過程主要是通過爆震波在推力噴管處誘導的稀疏波來實現的，當爆震管內的壓力降到了一定范圍內，進氣閥就會開啟，然后開始重復下一個進氣過程。

由于PDE在經過爆燃向爆震轉變后變成了爆震燃燒模式，這種模式下的熱力循環效率比較高，這比吸氣推進裝置的熱效率更高，并且這種結構相對簡單。

脈沖爆震發動機工作的適用范圍比較廣，不但可以進行單獨使用，還可以與渦扇發動機、沖壓發動機以及火箭發動機等組合成混合發動機。渦扇發動機與脈沖發動機相結合可以組成混合式脈沖爆震發動機，在渦扇發動機的外涵道上布置爆震管，爆震管會依次工作，并產生相應的推力，這兩者相結合可以增大渦扇發動機的推力，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.超燃沖壓發動機

沖壓發動機是吸氣式發動機中的一種，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。該發動機與壓氣機增壓的航空發動機存在較大區別，其對高速氣流進行壓縮主要是通過利用結構部件產生激波來實現，進而使氣流增壓、減速得以實現。沖壓發動機的工作原理是：高速氣流減速增壓通過進氣道來完成，空氣、燃料在燃燒室內發生化學反應，然后經過燃燒將化學能變為氣體的內能，最終氣體經過噴管膨脹加速，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，致使發動機向前的推力得以產生。

傳統的沖壓發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，然后在氣體中噴注燃料、組織燃燒，這樣的發動機被稱為亞燃沖壓發動機。當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，就可能導致燃燒室入口氣流靜溫迅速上升，這就會給熱防護、發動機結構設計造成一定困難；此外，如果發動機出現了高靜溫，就可能使煤油分解，致使熱量無法加入，發動機也就不能產生推力；如果高超聲速氣流壓縮到低速就會產生一定的激波損失，進而使推力性能得以降低，這些因素影響了亞燃沖壓發動機的應用。為了有效的解決以上問題，超燃沖壓發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，進而使發動機的高性能得以實現，使該裝置被廣泛的應用在高超聲速飛行器中。

四、動力系統的關鍵技術分析

高超聲速飛行器與傳統的航空、航行動力系統相比，其動力系統的設置原理與它們存在較大區別，該飛行器在傳統動力系統的基礎上進行了創新，并且在其中加入了大量的原創技術。要想使高超聲速飛行器得到更好的應用，就需要對動力系統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，進而使動力系統技術變得更加成熟，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、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的關鍵技術得以突破，比如，在設計中如何降低進氣道阻力的技術，在設計中如何實現進氣道高性能的技術，進氣道中如何設計寬范圍的技術等。通過這些關鍵技術的有效突破，可以使高超聲速飛行器得到進一步發展，使飛行器的性能逐步提高，進而擴寬其使用范圍。

五、結束語

本文主要從高超聲速飛行動力系統的現狀入手，對該飛行器的組成形式、難點、關鍵技術以及工作原理等內容進行分析。通過本文研究得知，相關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化與發展，就需要對飛行器的動力系統進行大量研究，進而使動力系統的性能得以優化，為超高聲速飛行器的發展奠定基礎。

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