高超飞行的心脏——吸气式高超声速飞行器动力系统简析

作者：兰顺正

首发自：临空视野

吸气式高超声速飞行器依靠自身力量就可实现大气层内数倍音速的飞行器，这主要得益于它所具有的高性能动力推进系统。而超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是这类高超声速飞行器的关键技术。

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。所谓冲压，就是利用飞行器飞行时的迎面气流的压力，使其进入发动机后自然压缩，而现代涡轮发动机则需要串联多个压气机涡轮实现对空气的压缩。飞行器的速度越快，发动机的推力就必须越大，为了提供更多的氧气与燃料反应，空气的压缩率就必须足够大。这时，涡轮发动机就需要更多更大的压气机，这必然导致自身重量大幅增加。增加的推力又被额外的重量消耗，甚至得不偿失，这也是涡轮发动机3倍声速极限难以逾越的关键。相比之下，冲压发动机中没有涡轮压气机，甚至根本没有转动部件，结构简单重量轻，更适合超高速飞行。

当飞行速度小于5倍声速时，冲压发动机吸入的空气被压缩后，气流速度会下降到低于声速；但飞行速度再增加，压缩后的气流速度将高于声速。也就是说，燃料必须在高于声速的气流中燃烧，即所谓“超声速燃烧”。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行马赫数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行马赫数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到马赫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。由于超燃冲压发动机可以在攀升过程中从大气里获取氧气，因此可以放弃携带氧化剂，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。

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，但距离实用还有很长的距离。首要问题在于如何点火。流过超燃冲压发动机的空气只有几毫秒的通过时间，要想在这样短的时间内完成压缩，并使燃料与空气迅速、均匀、稳定、高效地掺混、点火并燃烧，技术上十分困难，如同“在十二级大风中点燃一根火柴”。超燃冲压发动机需要克服的另一大难题是材料。由于发动机工作时具有极高的热负荷，因此需要使用最高性能的耐高温复合材料。即便如此，高温高压的发动机部件也必须进行高效冷却。另外，超燃冲压发动机无法再静止状态下启动，所以不能独立完成从起飞到高超声速飞行的全过程，必须与其他发动机配合使用。

脉冲爆震发动机（简称PDE）是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的全新概念的动力装置。它包括吸气式脉冲爆震发动机和脉冲爆震火箭发动机（PDRE）两类，它们的基本工作原理相同，区别是吸气式PDE从空气中获得氧化剂，而PDRE自带氧化剂。吸气式PDE主要由进气道、爆震室、尾喷管、爆震激发器、燃料供给和喷射系统及控制系统组成。其基本工作步骤为：第一，爆震燃烧室充满可爆混合物，第二，在燃烧室的开口或闭口端激发爆震波；第三，爆震波在燃烧室内传播，并在开口端排出；第四，燃烧产物通过一个清空过程从燃烧室中排出。

脉冲爆震发动机主要优点有：

一是工作方式灵活。超燃冲压发动机和涡轮喷气发动机都必须依靠前方的自由来流提供氧气，而脉冲爆震发动机则能分别以吸气式发动机或火箭发动机(自带氧化剂)的方式工作。后者也称为脉冲爆震火箭发动机(PDRE)。

二是工作范围宽。超燃冲压式发动机不能在地面零速度状态下启动，而且以亚声速和较低马赫数飞行时，其工作效率不高。而脉冲爆震发动机能以静止的方式启动，可在飞行马赫数0～12、飞行高度0～50000米的范围内使用，而且推力的大小能够根据需要进行调节，推力范围在0.5～50000千克之间，加速性能也较好。它可作为亚声速、超声速和高超声速飞行器的动力装置使用，而普通的喷气式发动机不具备此种能力。

三是比冲大、耗油率低。普通的脉动式发动机虽然不存在零速度启动的问题，但这种发动机工作时，火焰是以亚声速传播的，燃烧室压力低、比冲小，单位燃料消耗率较高。而脉冲爆震发动机工作时，其爆震波是以超声速传播的，燃烧速度超过马赫数4，因而燃气压力大(可达10～100个大气压)、比冲大(可超过2100秒)、燃烧温度高(2800℃以上)、耗油率低(单位燃料消耗率小于1千克／千克／小时，与涡喷发动机非加力状态下的耗油率相当，大大低于涡喷发动机加力状态下的耗油率)。

四是可靠性好，使用寿命长。涡轮喷气发动机由于有高速旋转部件，工作环境恶劣，因而可靠性和维修性都不够理想。脉动式发动机虽然结构简单，但使用寿命却较短，有的只能稳定工作十几分钟。而脉冲爆震发动机由于采用间歇式循环(一个工作循环包括进气、喷油、点火、燃烧及排气)，因此其壁温并不算太高，噪音也不算太大，工作稳定可靠，采用普通的耐高温材料就可制造其壳体。它的使用寿命要比脉动式发动机长得多。

五是污染程度低。由于爆震燃烧速度快、效率高、燃烧干净，在空中产生的污染物较少。

六是便于与其他不同类型的发动机(如冲压发动机、超燃冲压发动机、涡喷发动机等)组成适应不同飞行高度、不同飞行速度的混合型动力系统。

但是这种动力装置目前还存在着不少问题。它的主要技术难点是：发动机内的流动过程非常复杂，在恶劣的高温、高压环境下，燃烧和工作过程不易稳定，而目前还缺乏可靠的模拟计算方法，对其进行深入、精确的理论研究与热力循环分析；爆震燃烧的频率必须高于100赫兹，才能产生足够大的比冲，其效率才有可能优于涡轮喷气式发动机。而要想在一个空腔里面仅仅依靠自己的压力膨胀过程来实现极为快速的填充、爆炸，再填充、再爆炸，在一秒钟之内，往复完成100多次稳定、有效的进气、供油、高速喷注和混合、起爆、排气，是相当困难的。