冲压发动机的工作原理

作者:尼古拉斯gerbi曾经

美国宇航局工程师劳拉·奥康纳在弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心检查超音速冲压发动机(超燃冲压发动机)模型。
美国宇航局工程师劳拉·奥康纳在弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心检查超音速冲压发动机(超燃冲压发动机)模型。
©柯比斯

任何一个曾经在高空跳水时腹部下垂的人都可以告诉你,当你碰到流体而没有给它让路的时间时,它往往会反击。潜水员通过更流线型的跳水击败物理,而速度更快的汽车和飞机则通过更具空气动力学的形状来做到这一点。但在靠近声屏障的地方,流线型在这里g是不够的——在这个速度下,让飞机保持在高空的空气开始以看似无法克服的阻力、牙齿嘎嘎作响的湍流和残酷的冲击波冲击你。事实上,许多人认为这个声屏障是牢不可破的,直到1947年10月14日,查克·叶格火箭-动力钟X-1证明他们错了。

但如果你能把堆积的空气变成你的优势呢?如果你不用螺旋桨来搅动它,也不用火箭来燃烧它,而是把它装进一个特殊形状的管子里,用爆炸把它泵起来,然后在没有主要运动部件的情况下,以超音速的速度从喷嘴里喷出来,会怎么样?你会有一种非常特别的喷气发动机,一种“飞舞的火炉管”,适合以每小时数千英里的速度划过天空冲压喷气

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但冲压式喷气发动机表面上的简单性是具有欺骗性的;它需要尖端的航空工程、现代材料和精密制造才能成功——这在一定程度上解释了为什么一个几乎和动力飞行一样古老的想法在冷战期间获得有限的成功之前被反复接受和抛弃了几十年。

与主要的速度竞赛不同,火箭使用机载氧化剂(如硝酸铵、氯酸钾或氯酸铵)燃烧燃料,冲压式喷气发动机呼吸空气。因此,虽然火箭可以在接近真空的太空中运行,但冲压式喷气机必须在大气层中飞行。它们也必须以非常高的速度飞行——大约2.5-3.0或3马赫倍音速——因为冲压式喷气发动机是靠闸板压力,飞机高速飞行所带来的自然空气压缩。换句话说,冲压式喷气发动机是曾经反对高速飞行的冲击波和压缩力的盟友;他们真的随波逐流[来源:百科全书美国国家航空航天局].

冲压发动机在长距离飞行中比火箭效率更高,但也有一个明显的缺点:在低速飞行时毫无用处。因此,它们依靠助推器火箭或其他运载工具来提高速度。独立冲压发动机通常使用混合动力发动机[来源:美国国家航空航天局].

如果这个解释以超音速飞过你身边,那可能是因为我们跳过了很多很酷很有趣的东西。让我们看看喷气式发动机是如何发展来制造这个现代奇迹的。

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引爆和到达

克利夫兰刘易斯飞行推进实验室(该实验室后来被称为约翰·格伦研究中心),一名摄影师用高速摄影机拍摄冲压发动机I-40发动机的助推火焰
克利夫兰刘易斯飞行推进实验室(该实验室后来被称为约翰·格伦研究中心),一名摄影师用高速摄影机拍摄冲压发动机I-40发动机的助推火焰
©柯比斯

喷气式飞机依靠可控的爆炸运行。这听起来很奇怪,直到你意识到这一点汽车发动机也要这样做:吸入空气,压缩空气,将其与燃料混合,点燃,然后砰的一声!你已经推了一个按钮活塞.但鉴于汽油和柴油发动机涉及循环或间歇燃烧,喷气式飞机连续燃烧,燃料和空气不停地混合和燃烧。不管怎样,燃烧更多的橡胶意味着消耗更多的气体,这意味着吸入更多的氧气以获得正确的混合物。加大马力的汽车通过增压器实现这一点;在喷气式发动机中,情况更复杂[来源:百科全书].

第一架作战喷气式飞机在第二次世界大战结束时使用涡轮喷气发动机引擎,基于布雷顿(或焦耳)周期例如飞机飞行时,空气通过进气道进入机舱扩散器这是一种减缓气流和抑制冲击波的腔体。然后它通过一系列有叶片的圆盘:旋转转子,迫使空气向后,并保持静止定子,引导气流。它们一起起到压缩机的作用,在喷气式飞机燃烧室内泵送压力。在那里,燃油与压缩空气混合并点火,将温度降至1800-2800华氏度(980-1540摄氏度)或更高[来源:百科全书克鲁格斯帕科夫斯基].

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压力随着温度的升高而上升,所以爆炸产生了巨大的力量除了寻找快速出口别无他法。当排气通过后喷嘴时,它产生推力以推动飞机前进。在进入这个喷嘴的过程中,废气还通过一个通过转矩轴与转子连接的涡轮喷射。当涡轮旋转时,它将能量传递给前面的压气机叶片,完成循环。

在飞机上涡轮螺旋桨直升机具有涡轮轴发动机发动机、涡轮也通过一系列齿轮将动力传递给螺旋桨或直升机旋翼。

涡轮喷气式飞机具有很大的动力,但在低速时很难飞行。因此,在20世纪60年代和70年代,低超音速飞机开始朝着涡轮风扇大多数私人飞机和商业飞机仍在使用。涡扇发动机是发动机中的“火鸡鸭”——实质上是把涡扇发动机包裹在一个更大的整流罩中,在它的前部加上一个大风扇。风扇吸入更多的空气,然后发动机将其分成两股气流:一部分空气通过嵌套式涡轮喷气机,而其余的空气则通过其周围的空间流动。当重新定向的冷空气与涡轮喷气机的排气混合并使其减速时,两股气流会重新会合,从而产生一个更大、更慢的推力气流,在低速时效率更高[来源:百科全书克鲁格].

与此同时,在涡扇发动机开始崭露头角的时候,冲压发动机飞机的研究终于取得了进展。这是一条漫长的道路。

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冲压发动机,超前于时代?

那些说要先学会走才能跑的人肯定没见过法国人René Lorin。早在1913年,他就看到了冲压压力推进的可能性,当时飞行员们还在飞漂亮的木制风筝。意识到这种设计在亚音速速度下毫无用处,他转而设计了一种冲压发动机辅助的飞行炸弹。法国军队挥手让他离开。匈牙利工程师Albert Fono是另一位冲压发动机的先驱,他在1915年也提出了类似的想法,并得到了奥匈军队的一致认可[来源:狂欢黑和普拉特沃尔科].

冲压式喷气式飞机的设计在两次世界大战之间曾一度风靡一时工程师在火箭冲压式喷气发动机方面取得了初步进展(见下一节)德国占领中断了法国工程师勒内·莱杜克的早期工作,但他的坚持和保密在1949年4月21日得到了回报,当时他以洛林为灵感的010型冲压喷气式飞机首次进行了动力飞行。该飞机在朗格多克161型客机上进行高空飞行,飞行12分钟,时速达到450英里(724 kph)在半功率[电源:西迪基病房沃尔科Yust等人.].

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有一段时间,就是这样。尽管Leduc取得了成功,但由于缺乏资金,官方在1957年终止了对他的研究的支持[来源:西迪基;病房;Wolko;Yust等。]。冲压发动机开始看起来像一项没有应用价值的发明。与此同时,第二次世界大战迎来了第一代可运行的涡轮喷气式飞机:英国格洛斯特流星、德国梅塞施米特ME262和美国洛克希德F-80流星[来源:百科全书百科全书百科全书美国空军国家博物馆van Pelt].

随着战争的结束和冷战的升温,涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机显然比冲压喷气发动机提供了更实用的亚音速和低超音速解决方案。此后,美国和苏联在冲压喷气发动机方面的大部分工作都集中在制造洲际导弹。1950年,美国工程师威廉·埃弗里和约翰·霍普金斯大学应用了P物理实验室生产了美国海军第一枚冲压喷气式导弹塔罗斯。未来几代人将改进和简化设计,引入混合动力ramrockets能够实现高超音速(马赫数3-5)(见下一节)[来源:霍夫曼Kossiakoff病房].

尽管希勒XHOE-1大黄蜂直升机、拟议中的共和国XF-103轰炸机拦截器和寿命不长的洛克希德D-21B无人侦察机等设计都很吸引人,但冲压喷气式飞机直到1964年首次亮相SR-71黑鸟式侦察机作为1989年退役前速度最快的载人飞机,马赫数为3+的黑鸟还使用了混合发动机,有时称为涡轮冲压发动机[来源:美国空军国家博物馆史密森学会病房].

我们将在下一节深入研究SR-71和其他冲压发动机混合动力及其亚型。

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冲压式喷气发动机:模仿马赫数

洛克希德SR-71A黑鸟侦察机准备飞行。停在史蒂文·F·乌德瓦尔哈齐中心的黑鸟曾在1小时4分20秒内从洛杉矶飞往华盛顿特区。
洛克希德SR-71A黑鸟侦察机准备飞行。停在史蒂文·F·乌德瓦尔哈齐中心的黑鸟曾在1小时4分20秒内从洛杉矶飞往华盛顿特区。
©乔治·霍尔/科尔比斯

如果冲压式喷气发动机如此精巧,那又何必麻烦呢?好吧,在马赫数为2.5+时产生的压力和温度下,大多数喷气式发动机变得非常不切实际——而且毫无意义。即使你能让一个发动机工作,这样做也会将在飓风中运行风车的危险与将波浪机拖到瓦胡岛北岸的毫无意义结合起来重新。

冲压式喷气发动机采用了其他喷气发动机的基本原理,并将其曲柄转动至11个,所有这些喷气发动机都没有主要的运动部件。空气以超音速进入冲压式喷气发动机的扩散器,用冲击波冲击扩散器,帮助形成冲压压力。进气口中的菱形中心体进一步挤压空气,并将其降至亚音速,以便更有效地与f混合燃料和燃烧。燃烧发生在一个类似于巨型加力燃烧室的开放式燃烧室内,液体燃料被喷射或固体燃料从燃烧室内侧面烧蚀[来源:Ashgriz;百科全书次抢断病房].

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冲压发动机的速度限制逐渐激发了混合发动机的灵感,它们可以以较低的速度飞行,并加速到超音速。最著名的例子是SR-71“黑鸟”(Blackbird),它使用了涡轮喷气发动机和冲压发动机的混合动力,恰如其分地称为“a涡轮冲压发动机.此类发动机的工作原理类似于加力涡轮喷气发动机,直到远远超过马赫数1,在此之后,管道绕过涡轮喷气发动机,将冲压压缩气流重新引导至加力燃烧室,使发动机的工作方式类似于冲压喷气发动机[来源:病房].

导弹与此同时,设计逐渐取消了助推器,将它们移到冲压发动机内部,创造ramrockets,又名整体火箭冲压发动机.在火箭加速过程中,塞子会暂时密封冲压发动机的进气口和喷油器。一旦火箭耗尽且冲压发动机达到最高速度,这些塞子就会弹出,空火箭充当燃烧室[来源:病房].

展望未来,跨越5马赫线进入高超音速很可能需要超燃冲压发动机(超音速燃烧冲压发动机).与其他冲压发动机不同,超燃冲压发动机不需要在燃烧室中将空气减速至亚音速。为了在压缩空气从排气口喷出前0.001秒内点火和膨胀,超燃冲压发动机通常使用氢燃料,而氢燃料具有很高的燃烧效率比冲(每单位推进剂质量的动量变化),在大范围的燃料/空气比下点火,燃烧时释放出巨大的能量[来源:鲍尔百科全书美国国家航空航天局].

在过去几十年中,超燃冲压发动机一直处于理论研究阶段,大部分工作仍然是实验性的。2004年11月,美国宇航局耗资2.3亿美元的Hyper-X项目研制了一台超燃冲压发动机,在最后一次飞行中达到了9.6马赫。一些分析人士认为,该技术可以达到15-24马赫,但高超音速飞行意味着克服了美国宇航局的阻力就像那些即使是最快的超音速飞行器所面临的那样。简言之,我们还有很长的路要走从纽约到洛杉矶的通勤时间为12分钟[来源:鲍尔美国国防部高级研究计划局弗莱彻美国国家航空航天局].

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更多信息

作者的笔记:冲压发动机如何工作

我经常被一些伟大创新的故事所吸引,这些创新在最初被发明出来时却没有得到应用。例如,在写这篇文章的时候,我不断地想起激光,它曾经被称为寻找问题的解决方案。

几十年的时间改变了很多。

另一方面,有时奇怪的发明创造了数百万美元其他时候,我们发明的东西都是为了一个目的,结果却有着意想不到的用途。在它的众多贡献中,美国太空计划发明了罗纹泳衣永远换尿布今天,材料科学家正在发现我们尚未找到用途的性质。幸运的话,他们的表现会比洛林好。

相关文章

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  • 鲍尔,丹尼尔。《超燃冲压发动机燃料:氢与碳氢化合物》UNSW@ADFA大学生高超声速学杂志,2007年第1期。(2014年5月21日)http://seit.unsw.adfa.edu.au/ojs/index.php/Hypersonics/article/view/18/8
  • 国防高级研究计划局(DARPA),“猎鹰HTV-2三大关键技术挑战”(2014年5月29日)http://www.darpa.mil/Our_Work/TTO/Falcon_HTV-2_Three_Key_Technical_Challenges.aspx
  • 大英百科全书《恩斯特·海因里希·海因克尔》(2014年5月29日)http://www.britannica.com/EBchecked/topic/259700/Ernst-Heinrich-Heinkel
  • 百科全书。《飞行史:喷气机时代》(2014年5月29日)http://www.britannica.com/EBchecked/topic/210191/history-of-flight/260590/The-jet-age
  • 大英百科全书《内燃机》(2014年5月19日)http://www.britannica.com/EBchecked/topic/290504/internal-combustion-engine
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