高超声速飞行器动力系统研究进展

王琛

【摘 要】我国科学技术呈现迅猛发展趋势，在对高超声速飞行器动力系统方面进行的研究取得了较大成绩。本文将对高超声速飞行器动力系统进行研究，并介绍一些较为典型的高超声速吸气式发动机，然后简要阐述该系统的特点、工作原理以及组成，希望通过本文的阐述可以对相关人员的研究起到一定借鉴作用。

【关键词】高超声速飞行器；动力系统；研究进展

一、概述

如果飞行器使用超高音速进行飞行，它们发动机的动力形式是以吸气式或者组合式为主。一般情况下，飞行器在跨大气层、大气层飞行时，它们的飞行速度不会超过Ma5的速度，以这个速度作远程巡航飞行。高超声速飞行器飞行在大气层、跨大气层时，飞行速度会超过Ma6至Ma15之间，该飞行器使用的飞行速度比飞机还要快。此外，吸气式作为高超声速飞行器的发动机动力形式，这与火箭相比具有更高的比冲，并可以将其进行重复使用，这在一定程度上使空间运输成本得以降低。高超声速飞行器技术的发展带动了高端的高超声速巡航导弹、空天飞机等尖端飞行器的出现。随着高超音速飞行器的推进、发展，实现了人们进入太空的梦想。

二、高超声速飞行器动力系统概述

随着科学技术的迅猛发展，动力系统也在发生不断改变，相关专家不断对高超声速飞行器的优势进行研究，并对该飞行器进行不断完善。如果高超音速的飞行器飞行速度达到了3马赫以上，会出现较强压缩情况，该情况是由于气道激波所导致的，这时的压气机已经不能满足飞行要求，就需要使用冲压发动机。如果巡航飞行速度在6马赫以上，气流的温度就会逐渐增加，这时传统的亚声速燃烧冲压发动机的工作效率难以达到要求，使用组合循环发动机就可以维持正常的工作效率。可见，要想使超燃冲压发动机得以正常工作，就要对发动机的速度进行保障，如果飞行速度在Ma4至Ma6时，会使发动机的工作效率受到影响，当飞行速度低于Ma4时，发动机就会处于瘫痪状态。要想让飞行器能够更加自由的进行水平起降，同时可以进行多次使用，就需要对组合循环动力系统的有效性进行保障。此外，可以利用爆震燃烧自身的优点，比如燃烧反应快、距离短、高热力循环效率等，这些优点增加了燃烧发动机使用爆震的可能性，因此可以将其应用在高超声速飞行器上。

三、典型发动机基本原理、系统组成

1.爆震发动机

（1）连续爆震发动机

螺旋爆震是爆震燃烧的形式之一，由于爆震波传播方向与来流的方向是垂直的，所以它是通过横向爆震波燃烧，其形成的爆震结构没有明显的三波点结构，这与其它爆震波相差很大。

于脉冲爆震发动机而言，螺旋爆震发动机中的爆震波基本上都是处于连续工作的状态，所以这种发动机被称为连续爆震发动机。

（2）脉冲爆震发动机

该发动机的理念是最受关注的，这种发动机的结构相对简单，其主要结构为推力喷管、爆震管。依据脉冲爆震发动机的工作特点，可以将其工作分为三个过程，分别是充气、爆震以及排气，这三个过程是循环开展工作的。该发动机的进气过程为：将进气阀门打开，给爆震管充入相应的混合气体。该发动机的爆震过程为：当可燃混合气体的充入达到要求时，就是可燃气体的接触间断已经达到了相应的位置，这时就可以将进气阀门关闭，并触发相应的点火装置，使混合气体点燃并迅速形成稳定爆震向右传播。该发动机的排气过程：该过程主要是通过爆震波在推力喷管处诱导的稀疏波来实现的，当爆震管内的压力降到了一定范围内，进气阀就会开启，然后开始重复下一个进气过程。

由于PDE在经过爆燃向爆震转变后变成了爆震燃烧模式，这种模式下的热力循环效率比较高，这比吸气推进装置的热效率更高，并且这种结构相对简单。

脉冲爆震发动机工作的适用范围比较广，不但可以进行单独使用，还可以与涡扇发动机、冲压发动机以及火箭发动机等组合成混合发动机。涡扇发动机与脉冲发动机相结合可以组成混合式脉冲爆震发动机，在涡扇发动机的外涵道上布置爆震管，爆震管会依次工作，并产生相应的推力，这两者相结合可以增大涡扇发动机的推力，进而使油耗得以降低，同时使尾气中氮氧化合物的排放得以降低。

2.超燃冲压发动机

冲压发动机是吸气式发动机中的一种，它主要以大气中的氧气作为氧化剂，通过氧化剂与自身携带的燃料进行反应。该发动机与压气机增压的航空发动机存在较大区别，其对高速气流进行压缩主要是通过利用结构部件产生激波来实现，进而使气流增压、减速得以实现。冲压发动机的工作原理是：高速气流减速增压通过进气道来完成，空气、燃料在燃烧室内发生化学反应，然后经过燃烧将化学能变为气体的内能，最终气体经过喷管膨胀加速，然后将没有用的气体排入大气中，这时喷管出口的气体速度明显要高于进气道入口的速度，致使发动机向前的推力得以产生。

传统的冲压发动机先要通过进气道来降低气体进入的流速，将流速降低在控制范围之内，然后在气体中喷注燃料、组织燃烧，这样的发动机被称为亚燃冲压发动机。当飞行器的飞行速度大于Ma5时，就需要对气流的速度进行控制，如果没有控制好气流速度，就可能导致燃烧室入口气流静温迅速上升，这就会给热防护、发动机结构设计造成一定困难；此外，如果发动机出现了高静温，就可能使煤油分解，致使热量无法加入，发动机也就不能产生推力；如果高超声速气流压缩到低速就会产生一定的激波损失，进而使推力性能得以降低，这些因素影响了亚燃冲压发动机的应用。为了有效的解决以上问题，超燃冲压发动机让气流以超声速进入燃烧室，在超声速气流中组织燃烧，通过这样的方式降低来流静压、静温以及总压损失，进而使发动机的高性能得以实现，使该装置被广泛的应用在高超声速飞行器中。

四、動力系统的关键技术分析

高超声速飞行器与传统的航空、航行动力系统相比，其动力系统的设置原理与它们存在较大区别，该飞行器在传统动力系统的基础上进行了创新，并且在其中加入了大量的原创技术。要想使高超声速飞行器得到更好的应用，就需要对动力系统中难点问题进行分析，进而制定出有效的解决措施。

于动力系统方面而言，会遇到诸多难点，比如如何完成高效进气和压缩、高效混合与燃烧等。相关人员需要对这些问题进行研究，遇到难点问题就需要进行仔细研究，然后将这些难点问题进行解决，进而使动力系统技术变得更加成熟，使高超声速飞行器得以顺利工作。在解决这些问题时，需要相关研究人员通力合作，大家相互配合、相互研究，进而制定出更加科学、全面的解决方案。将这些问题进行有效解决，可以使高超声速飞行器动力系统的关键技术得以突破，比如，在设计中如何降低进气道阻力的技术，在设计中如何实现进气道高性能的技术，进气道中如何设计宽范围的技术等。通过这些关键技术的有效突破，可以使高超声速飞行器得到进一步发展，使飞行器的性能逐步提高，进而扩宽其使用范围。

五、结束语

本文主要从高超声速飞行动力系统的现状入手，对该飞行器的组成形式、难点、关键技术以及工作原理等内容进行分析。通过本文研究得知，相关人员对该飞行器进行了大量研究，并且取得了一些突破性的进展，但是要想使该飞行器得到更好的优化与发展，就需要对飞行器的动力系统进行大量研究，进而使动力系统的性能得以优化，为超高声速飞行器的发展奠定基础。

【参考文献】

[1]唐鑫，杨建军，严聪.美国高超声速飞行器动力系统发展分析[J].飞航导弹，2016（06）：28-35.

[2]夏强，初洪宇，王阳，张云昊.临近空间高速飞行器及其动力系统发展现状[J].飞航导弹，2015（06）：3-10.

[3]方洋旺，柴栋，毛东辉，张磊.吸气式高超声速飞行器制导与控制研究现状及发展趋势[J].航空学报，2014，35（07）：1776-1786.