冲压发动机

冲压发动机 冲压喷气式发动机(简称冲压发动机)是一种构造非常简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行 的空气喷气发动机。 1 概述 冲压发动机即冲压喷气发动机。 冲压喷气发动机是一种利用迎面气流进入发动机后减速，使空气提高静压的一种空气喷气 发动机。它通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室、推进喷管三部组成。冲压发动机没有压气 机（也就不需要燃气涡轮），所以又称为不带压气机的空气喷气发动机。 风洞中的美国 X-51超声速燃烧冲压发动机 冲压发动机主要是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。通常由 进气道（又称扩压器）、燃烧室和喷管组成。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将 动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在 喷管中膨胀加速后排出，产生推力。冲压发动机结构简单，重量轻，成本低。在飞行马赫数大 于 3的条件下使用,有较高的经济性。它的缺点是不能自行起动，须用其他发动机作为助推器， 俟飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。它一般使用煤油做为燃料。推力的产生与涡轮喷 气发动机一样，是由于高速排气所产生的反作用力。其情况是：当飞机运动时，空气流以高速 冲进发动机中，于是空气速度就下降，压力便上升。当压力刚刚达到最大值时，就由喷油嘴喷 射燃料(煤油)，开始燃烧，使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大，然后这种炙热的 空气与燃烧产物相混合的气体，便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。喷气流的速度比进口 的空气速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飞机运动。气流喷出速度愈大，推力也就愈 大。 2 原理 这种发动机压缩空气的方法，是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速， 将动能转变成压力能（例如进气速度为 3倍音速时，理论上可使空气压力提高 37倍）。冲压 发动机的工作时，高速气流迎面向发动机吹来，在进气道内扩张减速，气压和温度升高后进入 燃烧室与燃油（一般为煤油）混合燃烧，将温度提高到 2000一 2200℃甚至更高，高温燃气随 后经推进喷管膨胀加速，由喷口高速排出而产生推力。冲压发动机的推力与进气速度有关，如 进气速度为 3倍音速时，在地面产生的静推力可以超过 200千牛。 3 工作程序 冲压发动机的构造简单、重量轻、推重比大、成本低。但因没有压气机，不能在静止的条 件下起动，所以不宜作为普通飞机的动力装置，而常与别的发动机配合使用，成为组合式动力 装置。如冲压发动机与火箭发动机组合，冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。安装 组合式动力装置的飞行器，在起飞时开动火箭发动机、涡喷或涡扇发动机，待飞行速度足够使 冲压发动机正常工作的时，再使用冲压发动机而关闭与之配合工作的发动机；在着陆阶段，当 飞行器的飞行速度降低至冲压发动机不能正常工作时，又重新起动与之配合的发动机。如果冲 压发动机作为飞行器的动力装置单独使用时，则这种飞行器必须由其他飞行器携带至空中并具 有一定速度时，才能将冲压发动机起动后投放。冲压发动机或组合式冲压发动机一般用于导弹 和超音速或亚音速靶机上。 工作原理 冲压发动机只有三个主要部件——扩压器，燃烧室和尾喷管。虽然它只由很简单的三个管 道形的部件构成，但是它可以发出非常大的推力，并且推力随飞行速度的增大而迅速增大。例 如，一个横截面只有 1平方公尺的冲压发动机在 11公里高空，以速度为 3.5 倍音速飞行时 (M=3.5)，可以产生推力大约是 30，000公斤(即 30吨)。这时它推进的功率达到 414，000匹 马力，这相当于 200个火车头的功率。若是在低空飞行，由于空气密度大功率还要增加。这样 一台发动机有多重呢？最多不会超过 1吨。从这里可以看到它强大的工作能力。 由于它具有这种优良的特点——推力大、重量轻，因此非常适合于高空高速飞行。目前的 最高速度约为 4倍音速(相当于 4400公里/小时)，高度可达 30公里以上。但这数值还不是它 的极限，估计以后它的飞行高度、速度还要进一步提高。 4 分类 按应用范围划分，冲压发动机分为亚音速、超音速、高超音速三类。 一、亚音速冲压发动机 亚音速冲压发动机使用扩散形进气道和收敛形喷管，以航空煤油为燃料。飞行时增压比不 超过 1.89，飞行马赫数小于 0.5时一般不能正常工作。亚音速冲压发动机用在亚音速航空器 上，如亚音速靶机。 二、超音速冲压发动机 超音速冲压发动机采用超音速进气道（燃烧室入口为亚音速气流）和收敛形或收敛扩散形 喷管，用航空煤油或烃类燃料。超音速冲压发动机的推进速度为亚音速到 6 倍音速，用于超音 速靶机和地对空导弹（一般与固体火箭发动机相配合）。 三、高超音速冲压发动机 这种发动机燃烧在超音速下进行，使用烃类燃料或液氢燃料，飞行马赫数高达 5～16，目 前高超音速冲压发动机正处于研制之中。 超音速燃烧冲压发动机是一种以超音速燃烧为特色 的冲压发动机,在高速时，需要超音速燃烧来保证较高的燃料利用率。（简称超燃冲压发动机） 由于超音速冲压发动机的燃烧室入口为亚音速气流，也有将前两类发动机统称为亚音速冲压发 动机，而将第三种发动机称为超音速冲压发动机。（这种发动机运用的代表有美国的 X-43A、 X-51A“乘波者”高超音速试验机） 5 装备用途 ①超音速飞机：主要用作歼击机与轰炸机的动力装置。例如正在研究中的一种，是把冲压 式发动机与涡轮喷气发动机组合使用，后者放在冲压发动机的进气道内。起飞时使用涡轮喷气 发动机，冲压发动机在 M=0.4 时起动，的飞行速度为音速的 4倍(M=4)(图 3)。此外还有 一种在研究中的轰炸机，其设计飞行速度为 M=4，巡航高度 H=30，000公尺，最大航程为 16000 公里，目前尚未获得成功。 ②洲际飞航导弹：由于冲压发动机可在高速下飞行，并且经济性很好，做为远程导弹，无 论从军事上或经济上来考虑都很好，所以各国都在积极的从事研究。有一种正在研究中的洲际 飞航导弹，其飞行速度约为音速的 3.0－3.5倍，高度约为 21－24公里。航程大于 8000公里。 ③中程近程导弹：在射程从几十公里直到 2400公里范围内的中程及近程导弹上，目前经 常采用冲压发动机。这种导弹可以是地对地，空对空，也可以是地对空。例如有一种装有冲压 式发动机的地对地导弹飞行速度 M=3.5，飞行高度 24公里，航程 2400公里。另一种空对空导 弹从歼击机发射，可以用来攻击轰炸机或其他飞机，速度是音速的 3倍。还有一种正在生产中 的防空导弹，由地面发射，速度为 M=2－2.5，这些导弹均采用冲压式发动机作为动力装置。 此外，为了训练歼击机及导弹武器射击用的超音速靶机，使用冲压发动机也是非常经济的， 因为这种发动机成本比其他发动机要便宜得多。 6 发展前景 冲压发动机是一种新型的、用于高速飞行的、尖端航空科学技术。它正在日新月异的迅速 发展。在这个领域内，有着广泛的复杂问需要研究解决。 随着飞行速度的提高，就要求设计制造出更有效的部件——扩压器，燃烧室，尾喷管。有 的国家正在计划把冲压发动机的飞行速度提高到 5－7倍音速，甚至更高(约 5300－7400公里/ 小时)。这就需要解决一系列新的问题。例如，首先要求解决热障问题，在 M=5飞行时，发动 机壁面与空气摩擦后温度可以达到 1000℃左右。燃烧室加热以后的温度将达到 2500－2800℃ 左右，这就需要耐温能力更高的材料。其次，为了使燃烧室中能加温到更高的温度，目前所采 用的燃料(煤油)是不行的，这就需要高能量的燃料。 今天已进入原子能时代。因此在冲压发动机上使用原子能吸引着许多科学家，使他们进行 不懈的研究。不久的将来这种理想就会变为现实。 在地球大气的上层，由于太阳和宇宙线的作用，部分空气分解成为离子，当这些离子再合 成分子时，就会放出大量的能量，因此就有可能在发动机内喷入少量的催化剂，使离子再结合 成分子，放出能量而推动飞机，这样就根本不必携带燃料。这种离子冲压发动机的航程，可以 认为是无限的。 超燃冲压发动机 超声速燃烧冲压式发动机，它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带 氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够 产生 4倍于火箭的推力。 1 基本概况 简介 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发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲 压发动机的飞行 M数在 8以下，当使用液氢燃料时，其飞行 M数可达到 6~25。超声速或高超 声速气流在进气道扩压到位置 4的较低超声速，然后燃料从壁面和/或气流中的突出物喷入， 在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。 美国超燃冲压发动机 高超声速飞行器（飞行 M数超过声速 5倍的有翼和无翼飞行器）是未来军民用航空器的战 略发展方向，被称为继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次革命。超燃冲压发 动机是实现高超声速飞行器的首要关键技术，是目前世界各国竞相发展的热点领域之一。 目前，国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃 烧室冲压发动机。亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作 的发动机。当发动机飞行 M 数大于 6时，实现超音速燃烧，当马赫数低于 6 时。实现亚音速燃 烧。目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，NASA正在进行飞行试验的就是这种类 型的发动机。亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入 亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流发动机制动原理进入超音速燃烧室。这种发动机适用于 巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。 尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超音速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完 成从起飞到高超音速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念，这种的马赫数范 围是 0－15，用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。国外已经研究过的组合式超燃冲压发动 机主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这种组合发动机可能成为 21 世纪从地面起降的 可重复使用的空天飞机的动力。[1] 发展历史 用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有 50多年的历史。20世纪 90 年代，，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压 发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数 7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸 特公司、约翰·霍普金斯大学 APL实验室以及 NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃 冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。 80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划。但是，随 着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在 1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近 20 亿美元。2004年，NASA的 HyperX计划完成，成功地进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行 试验。这两次飞行都是在单一速度和高度下，持续了数秒。 同年末，X－43A超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数 9.6的记录。美国空军正在试 图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢 燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。 超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取 氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生 4倍于 火箭的推力。经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员 计划在 2007年、2008年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在 2009年展开一系列突破技 术屏障的飞行试验。 目前已从概念和原理探索阶段进入了以飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。预计，到 2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到 2025年，以超燃冲压发动 机为动力的高超声速轰炸机和空天飞机将有可能投入使用。 超燃冲压发动机计划还是美国的 X-43 主要特点 一是超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、比冲（单位质量流量推进剂产生的 推力）高和速度快的优点。与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂。 因此，有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可 重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。由于有重要的军事和航空航天应用前景， 超燃冲压发动机备受世界各国重视。昂贵的试验费用是制约超燃冲压发动机研制的主要因素之 一。 二是超燃冲压发动机的缺点是在静止状态下不能自行启动，须用助推方法将其推进到一定 速度后才能有效工作，且其低速性能不好。 航空中的运用 喷气式发动机的燃料燃烧需要氧气，但大气层外没有足够的氧气来维持燃烧。因此，飞往 太空需要火箭推进，还要携带燃料和氧化剂。即使像航天飞机这样当今最先进的发射系统，液 氧和固体氧化剂也占去了发射重量的一半，这才保证了在进入地球轨道的整个航程中，燃料能 持续燃烧。超声速燃烧冲压式发动机可能是解决方法之一。它简称超燃冲压发动机，可以在攀 升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂从飞行中获取氧气。节省重量，就意味着在消耗 相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生 4倍于火箭的推力。经过几十年间歇式的 发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员计划在 2007年、2008年进行关键 的全尺寸发动机地面试验，并在 2009年展开一系列突破技术屏障的飞行试验。 2 主要类型 经过多年的发展，国外已研究设计过多种超燃冲压发动机的方案。主要包括普通超燃冲压 发动机、亚燃/超燃双模态冲压发动机、亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机、吸气式预燃室超燃冲 压发动机、引射超燃冲压发动机、整体式火箭液体超燃冲压发动机、固体双模态冲压发动机和 超燃组合发动机等。其中，双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机是研究最多的两种类型。 喷气式发动机 双模态冲压 亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。当 发动机的飞行 M数低于 6时，在超燃冲压发动机的进气道内产生正激波，实现亚声速燃烧；当 M数大于 6时，实现超声速燃烧，使超燃冲压发动机的 M数下限降到 3，扩展了超燃冲压发动 机的工作范围。 HyShot 目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，俄罗斯多次飞行试验的超燃冲压发动机 就是这种类型的发动机。NASA 即将进行飞行试验的也是这种类型的发动机。这种超燃冲压发 动机可用于高超声速的巡航导弹、无人驾驶飞机和有人驾驶飞机。 双燃烧室冲压 对于采用碳氢燃料的超燃冲压发动机来说，当发动机在 M3~4.5范围工作时，会发生燃料 不易着火的问题，为解决这一问题。人们提出了亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机概念。这种发 动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚声速燃烧室，另一部分引导其余来流进 入超声速燃烧室。突扩的亚声速燃烧室起超燃燃烧室点火源的作用，使低 M 数下，燃料的热量 得以有效释放。由于亚燃预燃室以富油方式工作，不存在亚燃冲压在贫油条件下的燃烧室-进 气道不稳定性。这种方案技术风险小，发展费用较低，较适合巡航导弹这样的一次性使用的飞 行器。目前，掌握该技术的主要是美国霍布金斯大学的应用物理实验室。 超燃组合 尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超声速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完 成从起飞到高超声速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念。早在 50年代对超燃 冲压概念进行论证时，人们就提出了以超燃冲压为主的组合式动力的方案，这种方案的 M数范 围是 0~15甚至 25。用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。至今，已经研究过的组合式超燃 冲压发动机类型很多，包括涡轮/亚燃/超燃冲压、火箭/超燃冲压等。这种发动机将成为 21 世纪从地面起降的空天飞机的动力。 3 关健技术 燃料 流过超燃冲压发动机的气流速度始终为超声速，空气流过飞行器体内通常只有几毫秒的滞 留时间，要想在这样短的时间内完成压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定 地完成低损失、高效率的掺混、点火并燃烧是十分困难的，燃料与空气的掺混好坏直接影响发 动机的长度和热负荷。因此，应对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多 方面的因素进行综合性理论和试验研究。 燃烧室的设计 由于来流不均匀，超燃冲压发动机的燃烧室的工作非常复杂。因此，燃烧室的设计和试验 特别是超声速燃烧过程的研究非常重要。尽管数值模拟技术已发展到了相当高的水平，但这种 发动机燃烧室的研究发展还主要依靠试验。高超声速推进系统研究对试验设备的要求很高，要 模拟的气动参数变化范围大。而且，只有有限的试验可在地面进行，大部分问题必须通过飞行 试验解决。 一体化设计 超燃冲压发动机的机体/发动机的一体化设计是非常复杂的技术，包括气动力一体化、结 构设计一体化、燃料供应和冷却系统设计一体化和调节控制设计一体化。 材料 这两项技术是超燃冲压发动机的基本技术，由于高超声速推进系统极高的热负荷，因此需 要耐高温的陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料，同时需要燃料在工作过程中完成许多部件的冷 却任务。低温液氢是吸引人的燃料和冷却剂，但它的密度太小，需要较大的容积。对于导弹来 说，由于机动性和长时间储存要求，需要更合适的吸热燃料。 火焰保持器 研究人员在工作中进行了和并行的设计。如果 SJX61－1工作的好，将保持现有的设 计不变，但是，如果性能比预想的差，将用 SJX61－2做替代。 热平衡 在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡，使发动机携 带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非常重要的。但是，在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下， 冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃 料多。这样，热的多余燃料必然堆积在发动机的某处，这将有可能使飞行器的航程受影响。替 代的方案是在更低的速度下飞行，以减少达到正确热平衡的热负荷。 燃料的喷射 在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，出于结构上的考虑，发动机的流路可能是圆形的或椭 圆形的。这将加剧燃料进入燃烧流的问题。解决这个问题的方案是采用在第一级喷射器后有第 二级喷射器的串联喷射器，或者采用带冷却的挂架或支柱。但是，由于这些结构有非常高的热 负荷，因此也带来了其他一些问题。目前，AFRL推进部正在与材料部和 DARPA 一起工作研究 基于陶瓷的带燃油冷却的结构。明年年底将有可能完成这项工作。 火焰特性描述 研究人员已经在实验室条件下利用非干涉的基于光学的诊断技术在一台运行的超燃冲压 发动机种确定了火焰的实际位置以及在核心流中发生的燃烧反应。这些设备用于飞行系统上是 有可能的，甚至有可能用于燃气涡轮发动机上。 4 现状发展 从20世纪50年代人们就开始研究超燃冲压发动机，最初的应用目标是单级入轨的飞行器、 远程高速飞机和远程高超声速导弹。从 90年代开始，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的 发展。目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展 M数 4~8、射 程 1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M数 3~8的双模态超燃冲压发 动机已结束地面试验验证，进行了飞行试验。预计，到 2010年，以超燃冲压发动机为动力的 高超声速巡航导弹将问世。到 2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可 能投入使用。 俄罗斯 俄罗斯从 60年代开始研究超燃冲压发动机，目标是 M数 5~7的民用运输机、单级入轨航 天飞机和高超声速巡航导弹。 俄罗斯中央航空发动机研究院是超燃冲压发动机的权威研究单位，20世纪 80年代，该研 究院与中央空气流体动力研究所等单位合作进行了“冷”高超音速技术发展计划，主要研究试 验用矩形和轴对称双模态超燃冲压发动机。1991~1998年，共进行了 5次超燃冲压发动机的验 证性飞行试验，飞行 M数最高 6.5，发动机使用的是氢燃料。其中第 2、3次与法国合作，第 4、 5次与美国合作。据称第二次是最成功的，获得的数据最全。目前，该研究院正在进行速度为 6~7倍声速的高超声速飞行器用超燃冲压发动机的技术研究，应用目标是军民用高超声速飞行 器。 目前，该研究院正在研制高超声速有翼飞行器，采用 3台超燃冲压发动机。该项目目前还 处在基础研究阶段，其缩比模型已进行了风洞试验。 中央航空流体动力研究所是俄罗斯重要的超燃冲压发动机技术研究机构。目前，该研究所 正与俄彩虹设计局及德国一些部门合作进行导弹用 M数 5~7的超燃冲压发动机的研究，这种发 动机的进气道呈三级斜面形状，目前已经进行了连接式和自由射流式试验，今后将进行飞行试 验。同时，该机构将为俄罗斯空间局（RSA）的一项飞行试验计划（“鹰”计划）研制 M数 6~14、 氢燃料、双模态的超燃冲压发动机。该计划将发展一种与 NASA的 Hyper-X相似的机体/发动机 一体化的高超声速试验飞行器，发动机由三个模块组成，进气道的喷管位于机体下方。目前还 未找到合作伙伴。 “联盟”航空发动机科研生产联合体是俄航空发动机的重要研制单位，近年来，除为中央 航空发动机研究院试制轴对称超燃冲压发动机外，还独立开发试验发动机，该单位设计了 M 数 5~6的双模态冲压发动机，计划在导弹改装的试飞器上进行飞行试验。 美国 美国是开展超燃冲压发动机技术研究较早的国家，目前 NASA、空军和海军都有自己的发 展计划。 NASA从 1965年开始研究超燃冲压发动机技术，目标是有人驾驶飞行器和单级入轨飞行器 的动力。1996年，美国 NASA 在历时 8年、耗资 30亿美元的 NASP（国家空天飞机）计划被终 止之后，又开始实施投资 1.7 亿美元的高超声速飞行器试验计划（Hyper－X），研究用于高超 声速飞行器（M数 10）和其他可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机与一体化设计技术。 B-52携带的 X-51高速飞行器 该计划将对 3架无人驾驶研究机 X－43进行飞行试验，发动机采用氢燃料的双模态冲压发 动机，机身和发动机采用一体化设计。X-43A的第 1次飞行试验发生在 2001 年 6月，不过， 试飞以失败告终。2004年 3月 27日，X-43A在第 2次飞行试验中成功地达到 M数 7的速度， 成为世界上飞行速度最快的以空气喷气发动机为动力装置的飞行器。预计，2004年 9月或 10 月，该计划将进行最后一次 M数 10的飞行试验。 为保持 NASA高超声速技术的持续发展，NASA计划从 2006年开始一个适度的 Hyper-X后 继计划。新计划将是在 X-43A 之后非常低水平的高超声速技术发展计划，将进行基础性的技术 研究，发展新的可变几何、能在更大 M数范围工作的超燃冲压发动机。还将重点发展重量更轻、 耐高温性能更好的发动机新材料。第一个 5年的工作重点可能是 M数 5~6的飞行器，第二个 5 年的工作重点是 M数 8~9的飞行器，第 3个 5年将发展 M数 13~15的飞行器。计划的目标是经 过 5年的发展，技术准备达到能发展真实飞行器的水平。 美国空军在 50 年代末开始超燃冲压发动机的研究，目标是单级入轨的飞行器。1995 年， 美国空军开始实施高超声速技术计划（HyTech），目标是验证能够在 M数 4~8 范围飞行、射程 1400km的高超声速导弹用液体碳氢燃料双模超燃冲压发动机的适用性、性能和结构耐久性。 2003年，该计划完成了世界首台飞行重量的碳氢燃料超燃冲压发动机的地面试验。地面验证 发动机（GDE-1）进行了 M4.5 和 M6.5的试验。下一步将发展采用完全一体化燃油系统的 GDE-2 验证机。2004年将开始 GDE-2的首次全尺寸试验。2007年夏天，一种利用 GDE-2改型的发动 机将开始 M数 6~7的自由飞行试验，超燃发动机的工作时间为 5~10分钟。如果成功，接下来 将在 6~9个月后再进行两次飞行试验。该计划将于 2010年结束，2010~2015 年，高超声速空 对地巡航导弹初步具备作战能力。 美国海军的超燃冲压发动机研究始于 60年代初，目标是舰载导弹用发动机。最初设计的 超燃冲压发动机采用分模块式进气道、轴对称燃烧室，尾喷管设计考虑了实际气体和粘性的影 响。70年代，海军认为该方案所用燃料态活泼、有毒，不适于舰载导弹，改为使用碳氢燃料 的双燃烧室冲压发动机方案。1997年 5月，海军提出了高超声速攻击导弹计划。采用 M数 8 的超燃冲压发动机，射程 1000km。海军的超燃冲压发动机一直由约翰霍普金斯大学的应用物 理实验室研制，为双燃烧室冲压发动机，2000年设计和制造了一个全尺寸直连式燃烧室试验 件。目前正在进行全尺寸燃烧室的试验。 X-43 试验型飞机 2001年，美国 DARPA和海军开始了为期 4年的“高超声速飞行验证计划（HyFly）”，目 标是发展最高巡航 M数 6、射程 1110km、采用普通碳氢燃料的巡航导弹用超燃冲压发动机。目 前正在进行不同飞行状态（M数 6.5、3.5和 4）的地面试验。2003年，作为该计划的主要子 承包商，航空喷气公司在 NASA 兰利研究中心和空军阿诺德工程发展中心（AEDC）进行了多种 速度（M数 3.5、4.1和 6.5）和重要状态的自由射流超燃冲压发动机的试验。试验模拟了不同 的飞行条件，包括不同的飞行高度和不同的燃油喷射器结构，取得了巨大成功。今后，该公司 将对实际飞行重量的发动机制造方法继续进行研究和评估。在自由射流发动机试验结束后，将 进行飞行重量的发动机的地面试验。2004年将对最终设计进行验证并开始飞行试验，该计划 将于 2005年结束。 法国 法国自 20世纪 60年代以来一直未间断过高超声速技术的研究。1992年，法国政府开始 了为期 6年的国家高超声速研究与技术计划（PREPHA），目的是通过地面试验，验证 M数 4~8 的超燃冲压发动机的性能，该发动机的发展目标是单级入轨的航天飞机。"小羚羊"（Chamois） 超燃冲压发动机在相当于 M 数 6的速度下进行了多次试验。 1999年，法国武器采购局决定延长 PREPHA的研究工作，设立了为期 5 年的普罗米希 （Promethee）研究计划，目的是探讨 M数 1.8~8的烃燃料变几何亚燃/超燃双模态冲压发动机 作为一种空射型导弹的动力的可行性，计划总投资 6200万美元。目前，M数 7.5的超燃冲压 发动机试验获得成功，发动机运行了 10s。在超燃冲压发动机技术的发展中，法国与俄罗斯、 德国开展了合作。 其他国家 澳大利亚昆士兰大学从 1999年领导了一项国际合作的氢燃料超燃冲压发动机飞行试验计 划--HyShot计划。2002年 7月，HyShot计划的飞行试验成功实现了超声速燃烧，试验 M数达 到 7.6。 超燃冲压发动机 美国、澳大利亚、德国、韩国、英国和日本参与了该计划。 日本从 1984年开始研究超燃冲压发动机技术，已建成可模拟飞行高度 35km、飞行速度 M 数 8的高超声速自由射流试验台，进行了大量高 M数的模拟试验。目前，日本制定了以超燃冲 压发动机为动力的单级入轨空天飞机（SSO）计划，这是一种有人驾驶的可像普通飞机一样起 飞和着陆的可载客 10人的民用飞机，计划到 2005年结束。 此外，德国和印度也在超燃冲压发动机技术方面进行了大量的基础性研究。印度国防部正 在实施的先进吸气式跨大气层飞行器（AVATAR）计划，该计划将采用涡扇/超燃冲压发动机组 合动力。 发展趋势 由于超燃冲压发动机的巨大的军事及经济应用前景，早在六十年代，美国就开展了与此有 关的大规模的研究工作，并逐步完成了发动机样机的建造，验证超燃设计方法的可行性，并且 根据实验结果提出了发动机与机身一体化的设计概念，得到了广泛的认可。到八十年代，其中 一个重要的研究成果就是所谓的双模态发动机（Dual-mode scramjet），它是一种适用于中等 飞行马赫数（4~8）的，既可以进行亚音速燃烧又可以进行超音速燃烧的冲压发动机，拓宽了 超燃冲压发动机的应用下限。它是一种环形进气道结构，包括亚音速和超音速两个进气道，在 不同的飞行马赫数和燃料当量比情况下，发动机自动实现亚燃和超燃的模态转化。 以莫斯科中央航空发动机研究院为首，俄罗斯也进行了大量的超燃发动机的研究工作，到 目前为止，已进行了 5次飞行试验，其中 4次获得成功。其他国家也都积极的开展了有关超燃 发动机的研究。国内在这一领域的研究已经起步，进行了一些基础性的实验和数值模拟研究， 并且准备开展超燃冲压发动机的初步设计工作。借鉴国外的研究经验，中国先进行低马赫数下， 采用普通航空煤油的超燃冲压发动机研究，技术难度相对较小，且具有很好的可行性和很强的 实用性，有望在不远的将来研制成功中国的高超音速巡航弹用超燃冲压发动机，服务于我军的 国防现代化。 超燃冲压发动机 从中国国情看，中国已实现载人航天飞行，建立太空空间站和登月计划正有条不紊地实施， 光学、雷达侦察卫星技术有相当发展，北斗卫星定位导航系统已投入使用，目前正和欧盟联合 开发伽利略全球卫星定位导航系统，而且在上个世纪九十年代中国就研制出 C101、C301以冲 压喷气发动机为动力的超音速反舰巡航导弹；中国的科技实力在世界上也称得上科技大国了， 中国研发超燃冲压发动机还是具备一定人才、技术条件和技术储备的。 航天飞机的极速梦想，有一天将以低于当今火箭的费用，把人员和货物送入太空。而这个 梦想将建立在超声速燃烧冲压发动机的成功之上。 为了让超燃冲压发动机达到高超声速飞行，世界上许多研究小组正在努力克服巨大的技术 挑战。本文的讨论将集中在美国空军和普惠公司(Pratt & Whitney）的高超声速技术（HyTech） 超燃冲压发动机计划上，这是我最熟悉的计划之一。 另外，还有大量研发工作在美国海军、美国国家航空航天局（NASA）、美国国防部高级研 究项目局（DARPA），以及澳大利亚、英国、日本等地展开。国内目前这方面研究重点单位主 要有哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，西北工业大学、国防科技大学等，并且为中国培养 了一大批这方面的基础人才，相信不久的将来随着技术的成熟，超燃冲压发动机将会有更广阔 的应用。 5 工作过程 原理 冲压发动机的原理比涡轮喷气发动机的原理发现要早很多，无非就是空气以超音速进入发动机 燃烧室与燃料混合点燃，由于其本身的能量，空气已经不需要再压缩，所以可以完全省略涡轮 和相关的复杂设计，把喷气发动机的结构最简化。 范畴 与一般的冲压发动机不同的是发动机进气前与进气后其气流都维持在 5 马赫的高超音速 以上。而一般的冲压发动机则需要把气流减速增压。但气流速度一旦达到了 5马赫的高超音速 以上时，气流减速增压所带来的高压强高温度会超过发动机材料承受极限。所以解决最好的办 法就是以高超音速吸气后经过燃烧后马上高超音速喷出。这样发动机内滞留的静压静温就不会 威胁发动机正常运作。而其中超燃冲压发动机关键技术难点之一是点火技术，在高超音速中添 加燃料并点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴！ 超燃冲压发动机 冲压发动机的原理比涡轮喷气发动机的原理发现要早很多，无非就是空气以超音速进入发 动机燃烧室与燃料混合点燃，由于其本身的能量，空气已经不需要再压缩，所以可以完全省略 涡轮和相关的复杂设计，把喷气发动机的结构最简化。 冲压发动机 概述 2原理 3工作原理 4分类 5装备用途 6发展前景 超燃冲压发动机 1基本概况 2主要类型 3关键技术 4发展现状 5工作过程