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冲压发动机:不断挑战工程极限
送交者:  2018年06月01日17:42:25 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


  本文作者:邢强博士

  冲压发动机从其概念的提出到现在,已经走过了100多年的历程。但是,这种发动机的知名度仍比不上涡轮喷气式发动机和火箭发动机。究其原因,我们可以发现,相较于几十年来涡轮风扇发动机在现代民航客机和战斗机上的大量装备,冲压发动机在飞机上的应用可谓昙花一现。而在导弹和高超声速飞行器上应用的冲压发动机则在大部分时间里远离公众的视野。实际上,这种在高超声速时代必将成为推动飞行器前行的主要动力的发动机有着波澜壮阔的发展历史。本文将试着理顺冲压发动机的技术发展脉络,让我们一起来重新认识冲压发动机。

  名字来自古埃及

  冲压发动机的全称为冲压式喷气发动机,其英文名称为Ramjet。Jet表示喷气发动机,而Ram这个词则大有来头。公元前1200年,古埃及人发明了冲角(Ram)。他们把冲角固定在舰艏上冲撞敌舰。后来,冲角在腓尼基、古希腊和古罗马的桨帆船上得到了大量应用。借助冲击的速度和力量,冲角能够把敌舰撞出大洞,是一种军舰之间短兵相接的有效武器。在一些19世纪的蒸汽铁甲舰的前端仍能找到冲角。

  20世纪初,飞机出现。逐渐在军舰上消失的冲角(Ram)进入了航空工程师的研究范畴。这一次,工程师们没有让它去冲击军舰,而是让它去冲破重力的束缚,后来又赋予它冲破音障的重大使命。

  1913年,法国工程师雷内·劳伦首次提出了冲压发动机的概念。他认为,当发动机不停地向前冲击的时候,流经进气道的空气会不断地增加压力,这样不用压气机就可以让发动机里的燃料持续燃烧并向后产生推力。这种发动机只有进气道、燃烧室和喷管三部分组成,中间没有活塞也无需转子(甚至可以没有任何活动部件),构造极简、重量较轻,能够拥有很大的推重比。劳伦对他提出的新概念很满意,可惜囿于当时的材料和工艺水平,直到抱憾去世,他始终没能制成原型机。

  1915年,匈牙利布达佩斯特的工程师阿尔伯特·福诺提出了类似的概念。他将这种发动机与炮弹结合,发明了冲压喷气炮弹。这种炮弹能够借助自身动力,因此即使出膛动能不大也能有超远的射程。不过,当时的奥匈帝国并不看好这种设计,没有给福诺一张订单。对于冲压发动机的技术发展来说,这竟是一件好事。第一次世界大战后,福诺看到了飞机的重要作用,加上他已经对炮弹失去了兴趣,于是开始转行研究冲压喷气飞机,并在1928年向德国提交了一种高空超声速飞机的专利申请。这个超前于时代的设计使德国专利部门犹豫了4年,终于在1932年给福诺确认了专利。(要知道,1946年世界上才开始出现第一架能够超声速飞行的飞机。)上图为福诺申请冲压发动机专利的原稿线图。

  ?1926年,英国工程师本杰明·卡特提出了在发动机中安置火焰稳定器的设计。1928年,德国开始研究利用激波。当飞行器的速度超过声速时,飞行器前方来不及躲开的空气会不断地堆积压缩,并最终形成激波。激波的厚度只有几微米,但是激波前后的空气性质会发生巨大的变化。德国人以此为灵感设计出了带中心锥的进气道,利用一系列斜激波来改善冲压发动机的进气环境。这两项发明奠定了早期冲压发动机的基础。上图为德国人在100多年前拍摄的高速风洞中的模型和子弹在超声速来流中的样子。可以明显地看到斜激波。

  1949年4月,由法国传奇工程师雷内·勒杜克设计的010型飞机试飞成功,成为世界上首架冲压喷气飞机。但是在多年的探索之后,冲压发动机的一个致命缺陷暴露出来:无法在静止条件下产生足够的推力。

  早期冲压喷气飞机需要由载机驮在背上,随载机加速到接近400 千米/小时的速度后才能启动冲压发动机并脱离载机。这样的设计使其无法独立起飞,而驮载起飞的方式限制了冲压飞机的起飞重量,也增加了起飞风险(曾发生过冲压飞机与载机相撞的事故)。与古代的冲角同名的冲压发动机,有着和冲角相同的先天不足。没有初始的速度,便没有冲角的能量。1958年,有关冲压喷气飞机的研究出现了停滞。后来涡轮喷气式发动机发展迅速,冲压发动机便很少出现在飞机上了。

  巧妙设计克服先天不足

  冲压发动机在飞机上的应用可谓昙花一现。但是它重量轻、结构简单的特点非常明显,这足以引起导弹设计师的兴趣。很快,他们就发现了冲压发动机的新优势。以火箭发动机驱动的导弹需要自带氧化剂和燃烧剂。而冲压发动机可以利用大气中的氧气,不需携带氧化剂,这会大大减轻导弹的重量和成本。另外,有试验证明当飞行器的速度超过2马赫(声音速度的2倍)的时候,冲压发动机的效率将超过涡轮喷气发动机。这意味着在相同的起飞重量限制下,冲压发动机导弹将会有更快的速度、更大的射程和更好的机动能力。冲压发动机简直是为导弹量身打造的。

  但是,怎样才能克服冲压发动机需要初始速度来启动这一先天不足呢?这是难不倒设计师的。在上世纪50年代,火箭发动机的技术已较为成熟。设计师们试着把冲压发动机和火箭发动机串接起来,以火箭发动机为助推器把带有冲压发动机加速到可以启动的速度。没想到一下子便开启了冲压发动机的“黄金时代”。

  1951年,由波音公司和密歇根航空研究中心联合研制“波马克”防空导弹。冲压发动机赋予了该导弹惊人的性能指标。它能够携带1万吨级的核弹头以2.8马赫的速度打击20000米高空的目标。由于其射程实在太远(超过了300千米,改进型的射程更是达到了710千米,是同时期以火箭发动机为动力的“奈基”防空导弹的15倍),以至于该导弹不能由美国陆军装备而要交给美国空军。美国空军对此爱不释手,后来竟给这款导弹赋予了战斗机的编号——F-99。

  美国海军也启动了冲压发动机导弹的研究。1959年,“黄铜骑士”导弹服役。这种能以2.5倍声速飞行的导弹在越南战争中击落了一架120千米外的米格-21战斗机,是首枚有实战纪录的舰空导弹。

  不过,人们逐渐发现了这种穿糖葫芦式的布局方式的不足之处。“波马克”导弹的长度接近15米。稍微小一些的“黄铜骑士”导弹在串接了助推器后的弹长也足有11.6米,比当时的米格-15战斗机还要长1.5米。串联布局使导弹长度大幅增加,不利于导弹在多种载体上的应用。“黄铜骑士”只能在大型巡洋舰上使用,这限制了导弹的装备数量。

  苏联人也意识到了这个问题。他们改用并联式布局,把火箭助推器捆绑在冲压发动机导弹的四周。萨姆-4防空导弹和SS-N-12“玄武岩”反舰导弹便采用了这样的布局。但是,并联布局虽然缩短了导弹的长度,却增加了导弹的直径,使气动阻力增加,对射程和速度都有不利的影响。

  除了串联和并联,还有怎样的方式能让火箭发动机和冲压发动机结合起来呢?

  1967年服役的萨姆-6防空导弹给出了答案。冲压发动机内部没有转子,只有一个巨大的空腔。这给苏联设计师赋予了灵感。既然冲压发动机在低速的时候不能启动,那么把空腔填满燃料后,不就可以当作火箭发动机来使用了么!设计师把固体火箭发动机埋藏在冲压发动机的腔体中。

  从外表上看,人们已经找不到火箭助推器的影子了。该设计使萨姆-6导弹的身形变得十分小巧,有着不错的空气动力学特性。仅仅用内藏的固体火箭发动机就能让导弹的速度达到1.5马赫以上。固体燃料燃尽后,冲压发动机的空腔便呈现出来,此时导弹刚好达到了能够让冲压发动机启动的速度要求。导弹抛掉进气道堵盖和火箭发动机喷口,弹体内的空腔瞬间变身为一台冲压发动机并进行接力工作,将导弹的速度推进到2.8马赫。

  萨姆-6导弹的设计给冲压发动机的发展提供了一个很好的思路。该导弹从开始装备部队到现在已近50年,在俄罗斯、印度、埃及、芬兰、叙利亚等29个国家服役,至今仍有较大的装备数量。这一方面是由于在1973年的第四次中东战争中,阿拉伯联军使用苏制导弹对抗以色列飞机的实战表现,另一方面的原因应当归于将固体火箭嵌入到冲压发动机内部的这种巧妙的设计。

  冲入超燃冲压时代

  冲压发动机的冲角冲破了音障,并一举冲到3马赫的速度。但新的阻碍出现了。当飞行器的速度达到5马赫以上时,仅靠发动机前端的中心锥产生的斜激波已无法驾驭冲进燃烧室的气流了。快速流动的气体在燃烧室里左突右冲,甚至会把火焰吹熄。这支在超声速的气流中舞动着明亮火焰的火把除了闪耀出奇怪的烟雾之外,很难再迸发出强劲的动力。这种能够将冲压发动机燃烧室中的火焰吹熄的速度后来被命名为高超声速(大于5马赫的速度)。

  为了让飞行器的速度冲到高超声速,工程师们开始讨论让火焰能够在超声速的气流中燃烧的方法。美籍意大利空气动力学家安东尼奥·费里提出了超声速燃烧冲压发动机的概念。由此便诞生了冲压发动机家族中最年轻的成员——超燃冲压发动机。(上图从上到下:涡轮喷气式发动机、亚燃冲压发动机、超燃冲压发动机)

  1957年,曾经在“黄铜骑士”冲压发动机导弹的研制中担任核心角色的美国约翰霍普金斯大学应用物理试验室开启了对超燃冲压发动机的研究。研究结果令人振奋:如果火焰能够在超声速的气流中稳定燃烧的话,发动机喷口处的燃气流动状况要优于亚声速燃烧的状况。另外,当气流在发动机中停留的时间变得越来越短的时候,冲压发动机在单位时间内产生的推力也就变得越来越大。火箭发动机的比冲(单位重量推进剂产生的冲量)在300秒左右,而超燃冲压发动机的比冲在2000秒以上。

  要在如此高速的气流中稳住火焰谈何容易。实际上,在小风中划燃一支火柴都非易事。在科研人员和工程部门的一起努力下,若干超燃冲压发动机的原理样机终于制造出来了

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