新型的航空发动机一冲压式发动机

徐　飒

随着航空事业的发展，对飞行器飞行速度与高度的要求越来越高。而作为高空高速飞行器的动力装置之一——冲压式喷气发动机，也越来越使人们感到兴趣。那么，冲压喷气发动机是如何产生的？为什么它适合高空高速飞行？目前又用在那些方面？……本文想就这几个问题作十分粗浅的介绍，供作这方面有兴趣的同志参考。

第二次世界大战以前，人们只是用活塞式螺旋桨发动机作为飞行器的动力装置，飞行最大速度约756公里/小时。最大飞行高度在10公里左右。飞行速度、若再增加；一方面在螺旋桨叶尖的速度可能到达“音速”(空气中声音传播的速度)而出现“冲波”，从而使发动机的工作效率大大下降(这在航空界术语称之为“音障”——即由于飞行速度到达音速时的障碍)。另一方面若要发出更大的马力发动机的重量也大大增加。

为了阶级斗争与生产斗争的需要，要求跨过音障作超音速飞行，因此，要求发动机在飞行中能发出需要的推力，并且本身重量很小。涡轮喷气发动机(图1)就具有这样特性，这种发动机的有效推力(可用来推动飞行器飞行的推力)是同样重量的活塞式发动机所不能达到的，因此在第二次世界大战后，涡轮喷气发动机得到迅速发展，使飞行速度提高到超过音速二倍左右，高度达25公里左右。目前各科学家还在研究不断提高这个指标，但碰到了不少有趣的问题：

例如随着飞行速度再大，高度再高时，发动机进气道内的滞止压力与滞止温度(若不考虑气动损失，即气流由某一飞行“M数”(飞行器的飞行速度W与音速a之比值)滞止到W=O的压力与温度算滞止压力与滞止温度)大大上升，在飞行速度四倍音速时发动机进气口内压力可达大气压的几十倍而温度达900°K，这样就给发动机带来了许多问题。如压气机叶片的材料受不了这样高的温度；进口气流温度高了，而涡轮叶片及燃烧室材料受耐温限制，使燃烧室出口温度不能很高，于是加热量相对减少，即推力增加受到限制。

进口压力这样高，用不用压气机，其意义不大了。

因此人们就想：在高空高速飞行中，是否可以有不要转子部份(压气机和涡轮)而重量又轻的一种发动机？这就是冲压式喷气发动机，因此冲压式喷气发动机就被提到使用的日程上来了。

冲压式喷气发动机的概念早在十八世纪就已提出了，只不过当时受到生产技术落后的限制及人们也还没有需要到这样高速度的飞行而没有得到应用吧了。

那么冲压式喷气发动机到底是如何工作的？它又有些什么特点呢？

图2是一台外压式进气道的超音速冲压喷气发动机的工作示意图，也是目前各国应用最多的一种冲压式喷气发动机的方案图。它和涡轮喷气发动机一样也是由进气道、燃烧室，尾喷管三部份组成，不过和涡轮喷气发动机所不同的是没有压气机和涡轮，而是依靠本身高速飞行时的动能对进口气体进行冲压(冲压发动机的名称也是由此而得)使进入的气流速度大大下降，而压力大大上升，形成了一股低速高压气流。这股气流进入燃烧室后，先与燃料掺合，然后点火燃烧，使气体温度提高，再通过超音尾喷管(液体力学上称为拉瓦尔喷管)膨胀加速喷出，这时喷出的气流动能远远超过了进口气流的动能，这个进出口的动能差(或动量差)所表示出来的反作用力就是冲压喷气发动机的推力。推力之大要比同样重量的涡轮喷气发动机发出的推力大得多。

它的特点首先是适于作为高空特别是在超过音速三倍到七倍，高度在10公里到30公里之间，飞行器的动力装置，它既能满足推力要求，又能满足经济性良好的要求。

在这种条件下要涡轮喷气发动机工作是很困难的，因为推力不够，另一方面材料问题也还没有解决，采用火箭发动机，推力虽然很大但经济性却很差。

其次它的结构简单而重量轻。最轻的冲压式喷气发动机只有二至三公斤：主要关键在于它没有压气机与涡轮。减轻航空发动机的重量正是要航空设计家们挖空心思的对象。

图1涡轮喷气发动机的工作示意图

1.压气机2.燃烧室3.涡轮4.尾喷管

图2冲压式喷气发动机的工作示意图

1.中心锥2.喷油嘴3.稳定器

A一进气道Б—燃烧室B一尾喷管

再有冲压式喷气发动机的制价成本是最低廉的。目前还没有一种航空发动机比得过它，它的缺点是因为它对进口气流的压缩是靠本身高速飞行的动能，所以在低速飞行时效率低，而且经济性极差，特别是在地面不能自己启动。因而冲压式喷气发动机不能作为高速飞行器的单一动力装置。必须与其他型式动力装置配合使用。

据现有的一些公开资料看来，冲压式喷气发动机的用途有下列几方面。

在低亚音速飞行中有用作飞机加速器的即在主发动机的功率到达极限以后，用它来再进一步增加速度。1939年苏联设计家И.А.密尔估洛夫就设计制成了两台冲压式喷气发动机作为飞机的加速器，它的本身重量才12公斤，而推力却是主发动机的八倍。还有作为歼击机与直升机的动力装置，例如美国希勒公司制造的H－32型直升飞机，就是用冲压式喷气发动机装在七米长的双旋翼尖端来飞行的，其优点是简单可靠便宜，而且不需要抵消机身所受之反应偏扭力的设备，因为发动机是直接装在飞机的转动部份上的。由于上面所介绍的缺点它在亚音速飞行上应用不多。

在高超音飞行器上应用很广泛：例如作为有翼超音远程导弹的动力装置；超音速歼击机的动力装置，用火箭或涡轮喷气发动机起飞之后，靠冲压喷气发动机继续飞行。还有用作防空导弹上第二级的动力装置，和不可操纵飞行器的动力装置。

目前有些国家的航空设计家们正在研究把冲压发动机用于民航上，例如和涡轮喷气发动机配合作超音速飞机的动力装置，这不仅可以大大提高飞行速度缩短运输时间，更重要的是它能使经济性大大提高，进一步为经济建设服务。