噴氣推進的原理大家并不陌生,根據(jù)牛頓第三定律,作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。
噴氣發(fā)動機在工作時,從前端吸入大量的空氣,燃燒后高速噴出,在此過程中,發(fā)動機向氣體施加力,使之向后加速,氣體也給發(fā)動機一個反作用力,推動飛機前進。
事實上,這一原理很早就被應用于實踐中,我們玩過的爆竹,就是依靠尾部噴出火藥氣體的反作用力飛上天空的。
隨著航空燃氣渦輪技術的進步,人們在渦輪噴氣發(fā)動機的基礎上,又發(fā)展了多種噴氣發(fā)動機,如根據(jù)增壓技術的不同,有沖壓發(fā)動機和脈動發(fā)動機;根據(jù)能量輸出的不同,有渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、渦輪軸發(fā)動機和螺槳風扇發(fā)動機等。
早在1913年,法國工程師雷恩.洛蘭就獲得了一項噴氣發(fā)動機的專利。這是一種沖壓式噴氣發(fā)動機,在當時的低速下根本無法工作,而且也缺乏所需的高溫耐熱材料。
1930年,弗蘭克·惠特爾取得了他使用燃氣渦輪發(fā)動機的第一個專利,但直到11年后,他的發(fā)動機才完成其首次飛行,惠特爾的這種發(fā)動機形成了現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的基礎。
渦輪沖壓噴氣發(fā)動機將渦輪噴氣發(fā)動機(它常用于馬赫數(shù)低于3的各種速度)與沖壓噴氣發(fā)動機結合起來,在高馬赫數(shù)時具有良好的性能。
這種發(fā)動機的周圍是一涵道,前部具有可調進氣道,后部是帶可調噴口的加力噴管。
起飛和加速、以及馬赫數(shù)3以下的飛行狀態(tài)下,發(fā)動機用常規(guī)的渦輪噴氣式發(fā)動機的工作方式;當飛機加速到馬赫數(shù)3以上時,其渦輪噴氣機構被關閉,氣道空氣借助于導向葉片繞過壓氣機,直接流入加力噴管,此時該加力噴管成為沖壓噴氣發(fā)動機的燃燒室。
這種發(fā)動機適合要求高速飛行并且維持高馬赫數(shù)巡航狀態(tài)的飛機,在這些狀態(tài)下,該發(fā)動機是以沖壓噴氣發(fā)動機方式工作的。
渦噴發(fā)動機適合航行的范圍很廣,從低空低亞音速到高空超音速飛機都廣泛應用。前蘇聯(lián)的傳奇戰(zhàn)斗機米格-25高空超音速戰(zhàn)機即采用留里卡設計局的渦噴發(fā)動機作為動力,曾經(jīng)創(chuàng)下3.3馬赫的戰(zhàn)斗機速度紀錄與37250米的升限紀錄。
與渦輪風扇發(fā)動機相比,渦噴發(fā)動機燃油經(jīng)濟性要差一些,但是高速性能要優(yōu)于渦扇,特別是高空高速性能。
同時噴氣發(fā)動機盡管在低速時油耗要大于活塞式發(fā)動機,但其優(yōu)異的高速性能使其迅速取代了后者,成為航空發(fā)動機的主流。
沖壓噴氣式發(fā)動機(簡稱沖壓發(fā)動機)是一種構造非常簡單、可以發(fā)出很大推力、適用于高空高速飛行的空氣噴氣發(fā)動機。
從1913年法國工程師雷納·勞倫提出沖壓發(fā)動機概念,人類已經(jīng)在這條與速度賽跑的路上前行了整整一百年。
沖壓噴氣式發(fā)動機通常由進氣道(又稱擴壓器)、燃燒室、推進噴管三部組成。
這種發(fā)動機壓縮空氣的方法,是靠飛行器高速飛行時的相對氣流進入發(fā)動機進氣道中減速,將動能轉變成壓力能(例如進氣速度為3倍音速時,理論上可使空氣壓力提高37倍)。
沖壓發(fā)動機的工作時,高速氣流迎面向發(fā)動機吹來,在進氣道內擴張減速,氣壓和溫度升高后進入燃燒室與燃油(一般為煤油)混合燃燒,將溫度提高到2000到2200℃甚至更高,高溫燃氣隨后經(jīng)推進噴管膨脹加速,由噴口高速排出而產(chǎn)生推力。
沖壓發(fā)動機的推力與進氣速度有關,如進氣速度為3倍音速時,在地面產(chǎn)生的靜推力可以超過200千牛。
推力的產(chǎn)生與渦輪噴氣發(fā)動機一樣,是由于高速排氣所產(chǎn)生的反作用力。其情況是:當飛機運動時,空氣流以高速沖進發(fā)動機中,于是空氣速度就驟降,壓力便上升。
當壓力剛剛達到最大值時,就由噴油嘴噴射燃料(煤油),開始燃燒,使得發(fā)動機燃燒室中空氣溫度和壓力急速地增大,然后這種炙熱的空氣與燃燒產(chǎn)物相混合的氣體,便以更大的速度從發(fā)動機噴管噴射出來。
噴氣流的速度比進口的空氣速度大得多,因而就造成反作用推力,使得飛機運動。氣流噴出速度愈大,推力也就愈大。
沒有壓氣機,不能在靜止的條件下起動,所以不宜作為普通飛機的動力裝置,而常與別的發(fā)動機配合使用,成為組合式動力裝置。如沖壓發(fā)動機與火箭發(fā)動機組合,沖壓發(fā)動機與渦噴發(fā)動機或渦扇發(fā)動機組合等。
安裝組合式動力裝置的飛行器,在起飛時開動火箭發(fā)動機、渦噴或渦扇發(fā)動機,待飛行速度足夠使沖壓發(fā)動機正常工作的時,再使用沖壓發(fā)動機而關閉與之配合工作的發(fā)動機。
在著陸階段,當飛行器的飛行速度降低至沖壓發(fā)動機不能正常工作時,又重新起動與之配合的發(fā)動機。
如果沖壓發(fā)動機作為飛行器的動力裝置單獨使用時,則這種飛行器必須由其他飛行器攜帶至空中并具有一定速度時,才能將沖壓發(fā)動機起動后投放。
沖壓發(fā)動機或組合式?jīng)_壓發(fā)動機一般用于導彈和超音速或亞音速靶機上。
沖壓發(fā)動機只有三個主要部件——擴壓器,燃燒室和尾噴管。雖然它只由很簡單的三個管道形的部件構成,但是它可以發(fā)出非常大的推力,并且推力隨飛行速度的增大而迅速增大。
沖壓發(fā)動機結構簡單,重量輕,推重比大,成本低。在飛行馬赫數(shù)大于3的條件下使用,有較高的經(jīng)濟性。
它的缺點是不能自行起動,須用其他發(fā)動機作為助推器,而且只有飛行器達到一定飛行速度后才能有效工作。
它一般使用煤油做為燃料。由于它具有這種優(yōu)良的特點——推力大、重量輕,因此非常適合于高空高速飛行。
目前的最高速度約為4倍音速(相當于4400公里/小時),高度可達30公里以上。但這數(shù)值還不是它的極限,估計以后它的飛行高度、速度還要進一步提高