超燃冲压发动机的工作原理和优缺点

最近我国亚轨道运载器重复使用飞行实验成功了，这是一种新式飞行器，也被称为是空天飞机，而这种飞行器上会使用到一种叫做超燃冲压发动机的新型发动机，这种发动机不同于火箭发动机，也不同于传统的喷气式发动机。

超燃冲压发动机（超音速燃烧冲压式喷气发动机）是冲压式喷气发动机（冲压发动机）的一种变体，其中燃烧发生在超音速气流中。与冲压发动机一样，超燃冲压发动机依靠高速度在燃烧前强力压缩进入的空气，但冲压发动机在燃烧前使用冲击锥将空气减速到亚音速，而超燃冲压发动机没有冲击锥来减速空气，而是使用其点火源产生的冲击波代替冲击锥来减慢气流。这使得超燃冲压发动机能够以极高的速度高效运行。

超燃冲压发动机的工作原理和过程

超燃冲压发动机是喷气发动机的一种，和火箭发动机不一样，超燃冲压发动机驱动的飞行器只需要携带燃料而不需要像火箭发动机那样还需要携带氧化剂，这使得超燃冲压发动机只能够在大气层中运行。

但是因为超燃冲压发动机能够在极高的速度下运行，所以安装超燃冲压发动机的飞行器一般需要运行在高空中，属于亚轨道大气飞行器，这里大气密度比较稀薄，但是其中的氧气含量足以维持超燃冲压发动机的燃烧。

超燃冲压发动机由三个基本部件组成：

会聚进气口：进入的空气在这里被压缩；
燃烧器：气体燃料与大气中的氧气一起燃烧以产生热量；
发散的喷嘴：加热的空气被加速以产生推力。

与典型的喷气发动机（例如涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机）不同，超燃冲压发动机不使用旋转的类似风扇的零部件来压缩空气。相反，飞行器在大气层中的速度达到一定的程度，可以直接导致空气在进气口处被压缩，因此超燃冲压发动机就不需要传统喷气发动机的空气压缩风扇。相比之下，典型的涡轮喷气发动机需要多级旋转压缩机转子和多个旋转涡轮级，所有这些都增加了发动机的重量、复杂性和更多的故障点。

由于上述的这个特性，所以超燃冲压发动机只能工作在超高音速情况下。由于缺乏机械压缩机，超燃冲压发动机需要高超音速流的高动能来将进入的空气压缩到运行状态。因此，超燃冲压发动机驱动的飞行器必须通过其他一些辅助推进方式（例如涡轮喷气发动机、电磁加速器或火箭发动机）加速到所需的速度（通常约为4马赫）。

虽然超燃冲压发动机在概念上很简单，但在实际中因为其工作环境非常极端：大气中的高超音速飞行会产生巨大的阻力，飞机和发动机内的温度可能比周围空气的温度高得多。在超音速流中保持燃烧带来了额外的挑战，因为燃料必须在几毫秒内喷射、混合、点燃和燃烧。自1950年代以来，超燃冲压发动机技术一直处于开发阶段，但直到最近，超燃冲压发动机才成功实现动力飞行。

基本原则

超燃冲压发动机设计用于在超音速飞行状态下运行，超出了涡轮喷气发动机的速度范围，并且与冲压发动机一起填补了涡轮喷气发动机的高效率和火箭发动机的高速之间的空白。基于涡轮机械的发动机虽然在亚音速下效率很高，但在跨音速下效率越来越低，因为涡轮喷气发动机中的压缩机转子需要亚音速才能运行。虽然从跨音速到低超音速的流动可以减速到这些条件，但在超音速下这样做会导致温度的巨大升高和流动总压力的损失。当飞机的速度达到3~4马赫的时候，涡轮喷气发动机就不再有用，冲压式压缩成为首选方法。

超燃冲压发动机的工作原理与冲压发动机相同，但不会将气流减速至亚音速。相反，超燃冲压发动机燃烧室是超音速的：入口将气流减速到较低的马赫数进行燃烧，然后通过喷嘴加速到更高的马赫数。通过限制减速量，从材料和燃烧的角度来看，发动机内的温度都保持在可容忍的水平。即便如此，当前的超燃冲压发动机技术仍需要使用高能燃料和主动冷却方案来维持持续运行，通常使用氢气和再生冷却技术。

超燃冲压发动机的优缺点

优势

• 不必携带氧气；
• 没有旋转零部件，所以比涡轮喷气发动机更容易制造；
• 比火箭发动机具有更高的比冲（每单位推进剂的动量变化），可以提供1000到4000秒，而火箭通常提供大约450秒或更短的时间；
• 更高的速度可能意味着未来更便宜地进入外太空。

缺点

• 对材料要求非常高，制造价格也很高；
• 非常高的初始推进要求。

未来的应用

使用超燃冲压发动机的飞行器可以大大减少从一个地方到另一个地方的旅行时间，有可能在90分钟的飞行时间内达到地球上任意一个地方，所以在未来超燃冲压发动机可以应用在超音速旅行中。

另外因为超燃冲压发动机的超高速，所以在未来还能够被应用到火箭发射领域，用来向太空中发射载荷。