衝壓發動機

衝壓噴氣式發動機（ramjet engine），簡稱衝壓發動機，是一種構造非常簡單、可以發出很大推力、適用於高空高速飛行的空氣噴氣發動機。

從1913年法國工程師雷納·勞倫提出衝壓發動機概念，人類已經在這條與速度賽跑的路上前行了整整一百年。

基本介紹

• 中文名：衝壓噴氣發動機
• 外文名：ramjet engine
• 簡稱：衝壓發動機
• 組成：進氣道、燃燒室、推進噴管
• 特點：構造簡單，推力大，適於高空高速
• 分類：亞音速、超音速、高超音速
• 燃料：航空煤油或烴類燃料
• 發明者：法國工程師雷納·勞倫

定義

衝壓發動機即衝壓噴氣發動機。

衝壓噴氣發動機是一種利用迎面氣流進入發動機後減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發動機。衝壓發動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發動機。

組成

它通常由進氣道（又稱擴壓器）、燃燒室、推進噴管三部組成。

工作原理

這種發動機壓縮空氣的方法，是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發動機進氣道中減速，將動能轉變成壓力能（例如進氣速度為3倍音速時，理論上可使空氣壓力提高37倍）。衝壓發動機的工作時，高速氣流迎面向發動機吹來，在進氣道內擴張減速，氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油（一般為煤油）混合燃燒，將溫度提高到2000一2200℃甚至更高，高溫燃氣隨後經推進噴管膨脹加速，由噴口高速排出而產生推力。衝壓發動機的推力與進氣速度有關，如進氣速度為3倍音速時，在地面產生的靜推力可以超過200千牛。

推力的產生與渦輪噴氣發動機一樣，是由於高速排氣所產生的反作用力。其情況是：當飛機運動時，空氣流以高速衝進發動機中，於是空氣速度就驟降，壓力便上升。當壓力剛剛達到最大值時，就由噴油嘴噴射燃料(煤油)，開始燃燒，使得發動機燃燒室中空氣溫度和壓力急速地增大，然後這種炙熱的空氣與燃燒產物相混合的氣體，便以更大的速度從發動機噴管噴射出來。噴氣流的速度比進口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛機運動。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大。

風洞中的美國X-51超聲速燃燒衝壓發動機

工作程式

沒有壓氣機，不能在靜止的條件下起動，所以不宜作為普通飛機的動力裝置，而常與別的發動機配合使用，成為組合式動力裝置。如衝壓發動機與火箭發動機組合，衝壓發動機與渦噴發動機或渦扇發動機組合等。安裝組合式動力裝置的飛行器，在起飛時開動火箭發動機、渦噴或渦扇發動機，待飛行速度足夠使衝壓發動機正常工作的時，再使用衝壓發動機而關閉與之配合工作的發動機；在著陸階段，當飛行器的飛行速度降低至衝壓發動機不能正常工作時，又重新起動與之配合的發動機。如果衝壓發動機作為飛行器的動力裝置單獨使用時，則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中並具有一定速度時，才能將衝壓發動機起動後投放。衝壓發動機或組合式衝壓發動機一般用於飛彈和超音速或亞音速靶機上。

工作原理

衝壓發動機只有三個主要部件——擴壓器，燃燒室和尾噴管。雖然它只由很簡單的三個管道形的部件構成，但是它可以發出非常大的推力，並且推力隨飛行速度的增大而迅速增大。例如，一個橫截面只有1平方米的衝壓發動機在11公里高空，以速度為3.5倍音速飛行時(M=3.5)，可以產生推力大約是30000公斤(即30噸)。這時它推進的功率達到414000匹馬力，這相當於200個火車頭的功率。若是在低空飛行，由於空氣密度大功率還要增加。這樣一台發動機有多重呢？最多不會超過1噸。從這裡可以看到它強大的工作能力。

特點

衝壓發動機結構簡單，重量輕，推重比大，成本低。在飛行馬赫數大於3的條件下使用,有較高的經濟性。它的缺點是不能自行起動，須用其他發動機作為助推器，而且只有飛行器達到一定飛行速度後才能有效工作。它一般使用煤油做為燃料。

由於它具有這種優良的特點——推力大、重量輕，因此非常適合於高空高速飛行。最高速度約為4倍音速(相當於4400公里/小時)，高度可達30公里以上。但這數值還不是它的極限，估計以後它的飛行高度、速度還要進一步提高。

分類

按套用範圍劃分，衝壓發動機分為亞音速、超音速、高超音速三類。

亞音速衝壓發動機

亞音速衝壓發動機使用擴散形進氣道和收斂形噴管，以航空煤油為燃料。飛行時增壓比不超過 1.89，飛行馬赫數小於0.5時一般不能正常工作。亞音速衝壓發動機用在亞音速航空器上，如亞音速靶機。

超音速衝壓發動機

超音速衝壓發動機採用超音速進氣道（燃燒室入口為亞音速氣流）和收斂形或收斂擴散形噴管，用航空煤油或烴類燃料。超音速衝壓發動機的推進速度為亞音速到6倍音速，用於超音速靶機和地對空飛彈（一般與固體火箭發動機相配合）。

高超音速衝壓發動機

這種發動機燃燒在超音速下進行，使用烴類燃料或液氫燃料，飛行馬赫數高達5～16，高超音速衝壓發動機正處於研製之中。 超音速燃燒衝壓發動機是一種以超音速燃燒為特色的衝壓發動機,在高速時，需要超音速燃燒來保證較高的燃料利用率。（簡稱超燃衝壓發動機）由於超音速衝壓發動機的燃燒室入口為亞音速氣流，也有將前兩類發動機統稱為亞音速衝壓發動機，而將第三種發動機稱為超音速衝壓發動機。（這種發動機運用的代表有美國的X-43A、X-51A“乘波者”高超音速試驗機）。

裝備用途

超音速飛機

主要用作殲擊機與轟炸機的動力裝置。例如正在研究中的一種，是把衝壓式發動機與渦輪噴氣發動機組合使用，後者放在衝壓發動機的進氣道內。起飛時使用渦輪噴氣發動機，衝壓發動機在M=0.4時起動，設計的飛行速度為音速的4倍(M=4)(圖3)。此外還有一種在研究中的轟炸機，其設計飛行速度為M=4，巡航高度H=30000米，最大航程為16000公里，尚未獲得成功。

洲際飛航飛彈

由於衝壓發動機可在高速下飛行，並且經濟性很好，作為遠程飛彈，無論從軍事上或經濟上來考慮都很好，所以各國都在積極的從事研究。有一種正在研究中的洲際飛航飛彈，其飛行速度約為音速的3.0－3.5倍，高度約為21－24公里。航程大於8000公里。

中程近程飛彈

在射程從幾十公里直到2400公里範圍內的中程及近程飛彈上，經常採用衝壓發動機。這種飛彈可以是地對地，空對空，也可以是地對空。例如有一種裝有衝壓式發動機的地對地飛彈飛行速度M=3.5，飛行高度24公里，航程2400公里。另一種空對空飛彈從殲擊機發射，可以用來攻擊轟炸機或其他飛機，速度是音速的3倍。還有一種正在生產中的防空飛彈，由地面發射，速度為M=2－2.5，這些飛彈均採用衝壓式發動機作為動力裝置。

超音速靶機

為了訓練殲擊機及飛彈武器射擊用的超音速靶機，使用衝壓發動機也是非常經濟的，因為這種發動機成本比其他發動機要便宜得多。

發展前景

衝壓發動機是一種新型的、用於高速飛行的、尖端航空科學技術。它正在日新月異的迅速發展。在這個領域內，有著廣泛的複雜問題需要研究解決。

隨著飛行速度的提高，就要求設計製造出更有效的部件——擴壓器，燃燒室，尾噴管。有的國家正在計畫把衝壓發動機的飛行速度提高到5－7倍音速，甚至更高(約5300－7400公里/小時)。這就需要解決一系列新的問題。例如，首先要求解決熱障問題，在M=5飛行時，發動機壁面與空氣摩擦後溫度可以達到1000℃左右。燃燒室加熱以後的溫度將達到2500－2800℃左右，這就需要耐溫能力更高的材料。其次，為了使燃燒室中能加溫到更高的溫度，所採用的燃料(煤油)是不行的，這就需要高能量的燃料。

今天已進入原子能時代。因此在衝壓發動機上使用原子能吸引著許多科學家，使他們進行不懈的研究。不久的將來這種理想就會變為現實。

在地球大氣的上層，由於太陽和宇宙線的作用，部分空氣分解成為離子，當這些離子再合成分子時，就會放出大量的能量，因此就有可能在發動機內噴入少量的催化劑，使離子再結合成分子，放出能量而推動飛機，這樣就根本不必攜帶燃料。這種離子衝壓發動機的航程，可以認為是無限的。