18新利最新登入冲压发动机的工作原理

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美国宇航局工程师劳拉·奥康纳在弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心检查超音速冲压发动机(超燃冲压发动机)模型。
©Corbis

任何一个在高空跳水时腹部摔倒的人都可以告诉你,当你击中液体而没有给它时间离开时,它往往会反击。潜水员通过采用更流线型的跳水方式来战胜物理学,而更快的汽车和飞机则通过采用更符合空气动力学的形状来做到这一点。但在接近音障的地方,流线型飞行是不够的——在这个速度下,让你的飞机保持在空中的空气开始用看似不可逾越的阻力、令人牙齿震颤的湍流和残酷的冲击波来打击你。事实上,许多人都认为这道音障是坚不可摧的,直到1947年10月14日,查克·耶格尔火箭Bell X-1证明他们错了。

但如果你能把这些堆积的空气变成你的优势呢?如果不是用螺旋桨搅动它,也不是用火箭燃烧它,而是把它装进一个特殊形状的管子里,用爆炸把它泵起来,然后用喷嘴以超音速喷出,所有这些都没有主要的活动部件,会怎么样?你会有一种非常特殊的喷气发动机这是一个适合以每小时数千英里的速度划破天空的“飞行烟囱”。你会有一个冲压喷气

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但冲压发动机表面上的简单是具有欺骗性的;它需要尖端的航空工程、现代材料和精密制造才能实现——这在一定程度上解释了为什么一个几乎和动力飞行一样古老的想法在冷战期间取得有限的成功之前,几十年来一直被反复提出和搁置。

与它的主要速度竞争对手不同,火箭使用硝酸铵、氯酸钾或氯酸铵等机载氧化剂燃烧燃料,冲压发动机呼吸空气。因此,当火箭可以在接近真空的太空中工作时,冲压发动机必须穿过大气层。它们必须在非常高的速度下这样做——大约2.5-3.0马赫,或声速的三倍——因为冲压发动机是通过控制来工作的内存的压力,飞机高速飞行所带来的自然空气压缩。换句话说,冲压发动机使曾经反对高速飞行的冲击波和压缩力成为盟友;他们真的是随波逐流[来源:百科全书美国国家航空航天局].

冲压发动机在长距离飞行中比火箭更有效,但有一个明显的缺点:在低速时它们毫无用处。因此,它们依靠助推火箭或其他运载工具来加快速度。独立冲压发动机飞机通常使用混合动力发动机[来源:美国国家航空航天局].

如果这个解释以超音速的速度从你面前飞过,那可能是因为我们跳过了很多很酷很有趣的东西。让我们来看看喷气发动机是如何18新利最新登入发展到产生这个现代奇迹的。

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爆炸和到达

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在克利夫兰的刘易斯飞行推进实验室,一名摄影师用高速摄像机拍摄I-40冲压发动机的推力增强火焰。(这个实验室后来被称为约翰·格伦研究中心。)
©Corbis

喷气机靠可控爆炸运行。这听起来很奇怪,直到你意识到大多数汽车发动机也是这样做的:吸入空气,压缩它,与燃料混合,点燃它,砰!你按了一个活塞.但汽油和柴油发动机涉及周期性或脉动燃烧,喷气式飞机需要持续燃烧,燃料和空气混合,不停燃烧。无论哪种方式,燃烧更多的橡胶都意味着消耗更多的汽油,这也意味着吸入更多的氧气来达到正确的混合效果。加强型汽车通过增压器来实现这一点;在喷气发动机中,这要复杂得多[来源:百科全书].

在第二次世界大战结束时,第一架喷气式飞机投入了战斗涡轮喷气飞机发动机,一个简单而巧妙的设计基于布雷登(或焦耳周期例如当飞机飞行时,空气从进气道流入一个扩散器这是一个减缓气流并抑制冲击波的房间。然后它通过一系列带叶片的圆盘:旋转转子,使空气向后,静止不动,引导气流。它们一起充当压缩机,在喷气机的燃烧室内增加压力。在那里,燃料与加压空气混合并点火,使温度飙升至1800-2800华氏度(980-1540摄氏度)或更高[来源:百科全书克鲁格Spakovszky].

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压力随着温度的升高而升高,所以爆炸产生了巨大的力量,除了快速逃离,什么都做不了。当废气通过后喷嘴喷出时,它产生推力来推动飞机。在到达这个喷嘴的途中,废气也通过一个通过扭矩轴连接到转子的涡轮喷射。当涡轮旋转时,它将能量转移到前面的压气机叶片,完成循环。

在飞机上涡轮螺旋桨飞机直升机涡轮轴发动机作为发动机,涡轮也通过一系列齿轮将动力传递给螺旋桨或直升机旋翼。

涡轮喷气发动机的动力很大,但在低速时却很吃力。因此,在20世纪60年代和70年代,低超音速飞机开始趋向于涡扇发动机大多数私人飞机和商业客机仍在使用。涡扇发动机是发动机中的火鸡——本质上是一个涡喷发动机包裹在一个更大的整流罩中,在它的前面扇了一个大风扇。风扇吸入更多的空气,然后发动机将这些空气分成两股气流:一部分空气通过嵌套式涡喷发动机,而其余的空气则通过它周围的空白空间。当重定向的冷空气与涡轮喷气发动机的排气混合并使其减速时,两股气流重新结合,形成更大、更慢的推力流,在低速时更有效[来源:百科全书克鲁格].

与此同时,就在涡扇发动机大行其道的时候,冲压发动机飞机的研究终于取得了进展。这是一条漫长的路。

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冲压发动机,领先于时代?

无论谁说你必须先走才能跑,都没有见过法国人René洛林。早在1913年,他就看到了冲压压力推进的可能性,当时飞行员还在放飞华丽的木制风筝。意识到这种设计在亚音速下毫无用处,他转而设计了一种冲压发动机辅助飞行炸弹。法国军方挥手让他离开。匈牙利工程师Albert Fono是另一位冲压发动机的先驱,他在1915年提出了类似的想法,并得到了奥匈军队的类似接待[资料来源:乔治-海塞尔和普拉特Wolko].

冲压发动机设计在两次世界大战之间短暂流行。苏联工程师在以火箭为基础的冲压发动机上取得了早期的进展(见下一节),但在1940年之前,人们的兴趣就消失了。德国占领中断了法国工程师René勒杜克的早期工作,但他的坚持和保密在1949年4月21日得到了回报,当时他的洛林启发的010模型首次实现了冲压发动机飞机的动力飞行。在一架朗格多克161客机上,它飞行了12分钟,以一半动力达到450英里/小时(724公里/小时)[来源:Siddiqi病房WolkoYust等人。]。

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有一段时间,就是这样。尽管勒杜克取得了成功,但1957年,由于缺乏资金,官方停止了对他的研究的支持[来源:Siddiqi;病房;Wolko;Yust等人。冲压发动机开始看起来像是一项没有实际用途的发明。与此同时,二战期间已经迎来了第一代可操作的涡喷发动机:英国的格洛斯特流星,德国的梅塞施密特Me 262和美国的洛克希德F-80流星[来源:百科全书百科全书百科全书美国空军国家博物馆van Pelt].

随着战争的结束和冷战的升温,涡喷发动机和涡扇发动机显然比冲压发动机提供了更实用的亚音速和低超音速解决方案。此后,美国和苏联在冲压发动机方面的大部分工作都集中在制造洲际导弹上。1950年,美国工程师威廉·h·艾弗里(William H. Avery)和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室制造了美国海军的第一枚冲压发动机导弹塔洛斯(Talos)。后代将改进和简化设计,引入混合动力ramrockets能够达到高超音速速度(3-5马赫)(见下一节)[来源:霍夫曼Kossiakoff病房].

尽管有像希勒XHOE-1大黄蜂直升机、共和国XF-103轰炸机截击机和短命的洛克希德D-21B无人侦察机等引人入胜的设计,冲压发动机飞机在1964年首次亮相之前一直处于低迷状态洛克希德SR-71黑鸟.在1989年退役之前,速度最快的有人驾驶飞机,超过3马赫的黑鸟也使用了混合动力发动机,有时被称为aturboramjet(来源:美国空军国家博物馆史密森学会病房].

我们将深入研究SR-71和其他冲压发动机混合动力和子类型在下一节。

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冲压发动机:嘲笑马赫

洛克希德SR-71A黑鸟侦察机准备飞行。停在Steven F. Udvar-Hazy中心的黑鸟曾在1小时4分20秒内从洛杉矶飞到华盛顿特区。"width=
洛克希德SR-71A黑鸟侦察机准备飞行。停在Steven F. Udvar-Hazy中心的黑鸟曾在1小时4分20秒内从洛杉矶飞到华盛顿特区。
©George Hall/Corbis

如果冲压发动机如此精细,那为什么还要麻烦呢?在2.5马赫以上的压力和温度下,大多数喷气发动机都变得非常不实用——而且完全没有意义。即使你能让它工作,这样做也会把在飓风中运行风车的危险与把波浪机拖到瓦胡岛北岸的毫无意义结合起来。

冲压喷气发动机采用了其他喷气发动机的基本原理,并将它们的转速提高到11,所有这些都没有主要的活动部件。空气以超音速的速度进入冲压发动机的扩压器,通过冲击波来冲击它,帮助建立冲压压力。进气道内的菱形中心体进一步挤压空气,并将其降至亚音速,以更有效地与燃料混合和燃烧。燃烧发生在一个类似于巨大加力燃烧室的开放燃烧室中,从燃烧室的两侧注入液体燃料或烧蚀固体燃料[来源:Ashgriz;百科全书;次抢断;病房].

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冲压发动机的速度限制逐渐激发了混合动力发动机,这种发动机可以以较低的速度飞行,并加速到超音速。最著名的例子是SR-71黑鸟,它使用了涡轮喷气发动机和冲压发动机的混合发动机turboramjet.这种发动机的工作方式就像加力燃烧的涡喷发动机,直到超过1马赫,之后管道绕过涡喷发动机,将冲压压缩气流重新导向加力燃烧,使发动机的工作方式就像冲压喷气发动机[来源:病房].

导弹与此同时,设计逐渐取消了助推器,将它们移动到冲压发动机内部,创造了ramrockets,又名整体式火箭冲压发动机.在火箭加速过程中,塞子会暂时密封冲压发动机的进气道和喷油器。一旦火箭耗尽,冲压发动机加速,这些火箭就会弹出,空火箭就会充当燃烧室[来源:病房].

展望未来,跨越5马赫线进入高超音速可能需要超燃冲压发动机(超音速燃烧冲压发动机).与其他冲压发动机不同,超燃冲压发动机不需要在燃烧室中将空气减速到亚音速。为了在增压空气排出尾气前0.001秒内完成点火和膨胀,超燃冲压发动机通常使用氢燃料,氢燃料具有很高的燃效特定的冲动(单位质量推进剂的动量变化),在很宽的燃料/空气比范围内点燃,燃烧时释放出巨大的能量爆发[来源:鲍尔百科全书美国国家航空航天局].

超燃冲压发动机在过去几十年里还停留在理论阶段,大部分工作仍处于实验阶段。2004年11月,NASA历时8年、耗资2.3亿美元的Hyper-X项目研制出了一种超燃冲压发动机,在最后一次飞行中达到了9.6马赫。一些分析人士认为,该技术可以达到15-24马赫,但高超声速的空中旅行意味着要克服与最快的超音速飞行器不同的阻力。总之,我们还有很长的路要走从纽约到洛杉矶只需12分钟(来源:鲍尔美国国防部高级研究计划局弗莱彻美国国家航空航天局].

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作者注:冲压发动机的工作原理18新利最新登入

我经常被那些伟大的创新在最初发明时未能找到应用的故事所吸引。例如,在写这篇文章时,我反复想起激光,它曾经被称为寻找问题的解决方案。

几十年的变化真是太大了。

另一方面,有时奇怪的发明创造数百万美元.其他时候,我们为了一个目的发明了一些东西,结果却有了意想不到的应用。在它的众多贡献中,有美国太空计划发明了棱纹泳衣而且永远换尿布了.今天,材料科学家们正在发现一些我们尚未发现用途的特性。运气好的话,他们会比洛林过得好。

相关文章

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