吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

多年來(lái)，工程師們一直致力于設(shè)計(jì)一種具有超音速，即大于5馬赫或5倍于音速的飛機(jī)。這種由吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的高性能超音速飛機(jī)甚至可以到達(dá)地球軌道——這是40年前對(duì)于該可能性的第一次大膽設(shè)想。

最近，隨著科學(xué)技術(shù)的成熟以及對(duì)地空發(fā)射要求的提高，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)真考慮通過(guò)該設(shè)備前往太空的可能性。

較之火箭來(lái)說(shuō)，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槲鼩馐桨l(fā)動(dòng)機(jī)消耗的是來(lái)自大氣層的氧氣，因而對(duì)推進(jìn)劑——燃料的需要也就更少；同時(shí)又不需要氧化劑，因此發(fā)射更輕便、廉價(jià)。若要產(chǎn)生同樣的推動(dòng)力，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要的推進(jìn)劑僅為普通火箭的1／7。

此外，因?yàn)槲鼩馐桨l(fā)動(dòng)機(jī)依靠空氣動(dòng)力而不是火箭推動(dòng)力，因而具有更大的機(jī)動(dòng)性，安全性也相對(duì)較高：飛行可以隨時(shí)取消，飛行器通過(guò)滑翔返回地面。任務(wù)執(zhí)行起來(lái)也更具靈活性。但是，較之相對(duì)成熟的火箭技術(shù)來(lái)說(shuō)，使用吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載飛行器的技術(shù)還不很成熟，因?yàn)榛鸺夹g(shù)得到了持續(xù)改進(jìn)和調(diào)整，相對(duì)完善。

當(dāng)然，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)(通過(guò)壓縮空氣、燃燒混合燃料而產(chǎn)生推動(dòng)力)并不是什么新鮮事。但是，諸如那些為適應(yīng)商業(yè)以及戰(zhàn)斗需要而設(shè)計(jì)的渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)僅限制在3馬赫-4馬赫，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)速度的話壓縮空氣的渦輪以及齒片就會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而受損。

所幸的是，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是為了壓縮空氣，那么超音速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪是不需要的。因?yàn)檫@種發(fā)動(dòng)機(jī)的通氣道是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，當(dāng)飛行器高速穿過(guò)大氣層時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通氣道可以減緩空氣流速并壓縮空氣。在地對(duì)空、空對(duì)地導(dǎo)彈發(fā)射中，噴射式推進(jìn)引擎也已與火箭合二為一。但是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的局限性在于它的速度只有大約6馬赫，如果超過(guò)該速度，燃燒室的溫度過(guò)高就會(huì)使得燃燒產(chǎn)物(水)分解。為了獲得更高的速度，超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)減少了通氣口處的壓縮氣流，使得減速顯得不太明顯。因?yàn)闅饬魇钩羲俚靡员３?，同時(shí)溫度也不會(huì)像噴射式推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣驟然上升。

燃料被推進(jìn)超音速運(yùn)行的氣流中，在那里混合，并在毫秒之內(nèi)燃燒完。超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的速度上限尚無(wú)定論，但是理論上來(lái)說(shuō)它的速度在軌道速度(20馬赫～25馬赫)之上。但是在如此高速之下，超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)之于火箭的優(yōu)勢(shì)變得不那么明顯了，甚至是毫無(wú)意義了，因?yàn)樵谶@種超高速下發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)因重壓而產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。

超音速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)有多種原料來(lái)源，包括氫和烴。液態(tài)氫能在發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器因溫度太高而損壞之前降低它們的溫度，曾被用作美國(guó)航天飛機(jī)的燃料。

烴的利用率卻并不如液態(tài)氫有效，因?yàn)樗a(chǎn)生的推動(dòng)力速度不到8馬赫。對(duì)于一個(gè)超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器已無(wú)多大區(qū)別，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)必須考慮到能容納大量的空氣。迎面而來(lái)的氣流主要由飛機(jī)底部分散，這增加了通氣口轉(zhuǎn)移空氣的壓力。一般來(lái)說(shuō)，這種變化大到足以產(chǎn)生一個(gè)不穩(wěn)定的壓力——沖擊波，這種沖擊波來(lái)源于飛機(jī)的前半部分，然后在大氣層中傳播。飛機(jī)底部與沖擊波之間產(chǎn)生的壓縮空氣被導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)氣流速度變慢、燃料燃燒的時(shí)候，空氣的溫度越來(lái)越高。飛機(jī)底部產(chǎn)生的高壓也可以對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生向上的托力。

為了擴(kuò)大超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，設(shè)計(jì)師將飛行器設(shè)計(jì)成超音速或者噴射式。可以通過(guò)增加一個(gè)幾何狀的、可移動(dòng)的燃燒室或者通過(guò)改變不同方位的噴射器之間的燃料流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種雙模式操作。因?yàn)闊o(wú)論哪種模式都無(wú)法在二三馬赫的條件下有效運(yùn)作，這時(shí)就需要第三種類(lèi)型的推進(jìn)方式來(lái)助飛，即渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)或者火箭。

所謂的“渦噴／火箭組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)”可以被應(yīng)用于空間飛行器上，通過(guò)沖壓產(chǎn)生推動(dòng)力。噴射式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后由超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供10馬赫～12馬赫的反推力，之后再次利用火箭以補(bǔ)充超音速推動(dòng)力。在18馬赫以上?；鸺龑w行器推入軌道。

NASA目前正在測(cè)試各種形式的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，需要大量工作來(lái)確認(rèn)超音速?zèng)_壓的可行性。先進(jìn)的流體力學(xué)計(jì)算與工程設(shè)計(jì)方法使人們有可能制造一臺(tái)內(nèi)置有超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器。此外，還有很多挑戰(zhàn)有待克服，其中包括：開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、耐高溫材料，確保燃料的高效混合與燃燒以及盡量減少不必要的熱量累積。

20世紀(jì)70年代。NASA的蘭利研究中心利用超音速飛行器模型與風(fēng)洞向人們展示了超高沖壓的基本技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)原型的一些地面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、日本以及澳大利亞進(jìn)行。

此外，相關(guān)的一些工作也正在中國(guó)、意大利、印度等國(guó)展開(kāi)。現(xiàn)在，科學(xué)家經(jīng)常進(jìn)行超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)，其模擬速度為15馬赫。俄羅斯已經(jīng)在飛行試驗(yàn)中展示了速度為6.4馬赫的雙模式超音速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)在蘭利研究中心進(jìn)行的超音速研究計(jì)劃，NASA目前正在制造長(zhǎng)3.6米的X-43A型超音速飛機(jī)，在接下來(lái)的三年中，該型飛機(jī)將展示7馬赫～10馬赫的超音速飛行。如果一切順利，這一系列的工作將為這種發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用鋪平道路，很可能被用于執(zhí)行太空任務(wù)的各種飛行器上。

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用“眾星捧月”來(lái)形容當(dāng)前世界上的航天熱潮似乎十分恰當(dāng)。中國(guó)的“嫦娥”、日本的“飛天”、“月亮女神”、歐洲的“智慧一號(hào)”、美國(guó)的“月球勘撂者”……它們都帶著各自國(guó)家的科技水平和對(duì)未來(lái)的憧憬飛向月球。然而“讀書(shū)越多的人覺(jué)著差距越大”，人類(lèi)目前恰處于這種狀態(tài)。有人提出，雖然最近50年航天成果斐然，但總體看，目前人類(lèi)還處于太空探索的“幼年期”，實(shí)用技術(shù)停留在地球衛(wèi)星層面，解決的是通信、拍照等人類(lèi)內(nèi)部的問(wèn)題。雖然通過(guò)美國(guó)的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，人類(lèi)目前最遠(yuǎn)能看到140億光年的天體，人類(lèi)探測(cè)器已游歷了太陽(yáng)系的八大行星，而人類(lèi)的足跡也踏上了月球。但是，人類(lèi)至今沒(méi)有從外太空拿回一度電、一噸礦石、一滴水。人類(lèi)仍無(wú)抗擊小行星撞擊的可靠技術(shù)。面對(duì)茫茫宇宙，人類(lèi)仍像一個(gè)年劫的孩子。