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让十倍马赫速度的飞行成为现实：说说超燃冲压发动机的那些事

看北朝 2017-12-04 浏览140次

一、从齐奥尔科夫斯基公式说开去

齐奥尔科夫斯基公式，为苏联科学家К.Э.齐奥尔科夫斯基于1903年所提出，即在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下计算飞行器在发动机工作期间获得速度增量的公式，即V=v0*ln(M0/mk)，式中V为速度增量，v0为喷流相对火箭的速度，m0和mk分别为发动机工作开始和结束时的火箭质量。

我们观察这个公式，可以很容易的发现如果需要提高飞行器的最终速度，有提高喷流速度和降低载荷比两条路。也就是说，选择喷流速度更快的燃料，或者用更多的燃料送更少的货物。当然了，这两条路的收益差距很大，这是因为载重比在本公式中是成对数形式（如下图所示）出现，而喷流速度与最终速度却成正比。所以，喷流速度的微量提升，也可以带来载重比的巨大提高。

紧接着，我们再来看v0，也就是喷流速度。这其实就是比冲。比冲的定义为单位推进剂的量所产生的冲量。Is=v0/g，其中g是重力加速度。所以，我们讨论发动机的喷流速度实际上就是在讨论比冲。

接下来，我们把公式连起来，如果需要理解比冲变化，对载重比的影响，我们可以假设两种发动机的飞行器最后达到同样的飞行速度。得到下列等式：

举个简单例子：假设比冲提高到原来的10倍，那么ln(M0/mk)就从2变成了0.2。M0/mk就从是7.39变成了1.22。一百吨的飞行器能拉几十吨的货物，是不是很像现在的飞机？

实际上涡轮风扇发动机的确就是比冲远高于火箭发动机的存在（相差一个数量级），如下表：

可以显见，超燃冲压发动机作为吸气发动机在去除了携带氧化剂的情况下，必将获得远超过现在液态火箭比冲。作为空天往返飞行器的基础（第一级），其优势不言而喻。所以各国在高边疆的竞争中，高度重视超燃冲压发动机也就很好理解了。

二、冲压发动机

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。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。在Ma3~6之间，进气激波很强，无需压气机即可对进气充分压缩，进气气流从超音速降低为亚音速（低于Ma0.3)，进入燃烧室燃烧。这就是比较常见的亚燃冲压发动机。

当Ma高于6的时候，气体总温已经高于1500K，这是亚燃冲压发动机的效率大大降低。因此，保持进气气流以超音速流入燃烧室燃烧，这就是超燃冲压发动机。

超燃冲压发动机与传统发动机相比，阻力较大，因此必须和机体一同设计，将前机体做为压缩段，而后机体作为膨胀段，放在高升阻比的机体下方。这也就构成了我们常见的高超音速飞行器的外形，另外一部分是因为进行侧滑机动的需要。

三、超燃冲压发动机分类

1、纯超燃冲压发动机

没啥好说的，纯粹进行超燃冲压的发动机，只能工作在6马赫以上。

2、双模态超燃冲压发动机

只有一个燃烧室，但可以进行亚音速气流也可以进入超音速气流，从而实现4马赫的速度范围适应（4~8马赫）。如果特殊设计的变形机构，可以在2~12马赫内使用。

3、双燃烧室超燃冲压发动机

顾名思义，两个燃烧室，分别进行亚音速和超音速气流燃烧，可以在3~6Ma使用。我国于12年完成了轴对称双燃烧室超燃冲压发动机实验。

4、组合式超燃冲压发动机

集合了涡轮、亚燃、超燃、火箭的全速度段发动机。目前中国的计划是涡轮-火箭-冲压组合循环发动机预计年底实验，应该是目前全世界最全的一种了（不知道是不是类似于SABRE）。美国很早就开始了TBCC的实验，后续转到RBCC的实验。RBCC分为火箭引射、亚燃、超燃和纯火箭四个工作状态，火箭捆绑在轴对称超燃发动机周围。理论上来说，RBCC可以实现从0~25Ma，从地面到轨道的全域使用。