喷气推进的原理大家并不陌生,根据牛顿第三定律,作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。
喷气发动机在工作时,从前端吸入大量的空气,燃烧后高速喷出,在此过程中,发动机向气体施加力,使之向后加速,气体也给发动机一个反作用力,推动飞机前进。
事实上,这一原理很早就被应用于实践中,我们玩过的爆竹,就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的。
随着航空燃气涡轮技术的进步,人们在涡轮喷气发动机的基础上,又发展了多种喷气发动机,如根据增压技术的不同,有冲压发动机和脉动发动机;根据能量输出的不同,有涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机和螺桨风扇发动机等。
早在1913年,法国工程师雷恩.洛兰就获得了一项喷气发动机的专利。这是一种冲压式喷气发动机,在当时的低速下根本无法工作,而且也缺乏所需的高温耐热材料。
1930年,弗兰克·惠特尔取得了他使用燃气涡轮发动机的第一个专利,但直到11年后,他的发动机才完成其首次飞行,惠特尔的这种发动机形成了现代涡轮喷气发动机的基础。
涡轮冲压喷气发动机将涡轮喷气发动机(它常用于马赫数低于3的各种速度)与冲压喷气发动机结合起来,在高马赫数时具有良好的性能。
这种发动机的周围是一涵道,前部具有可调进气道,后部是带可调喷口的加力喷管。
起飞和加速、以及马赫数3以下的飞行状态下,发动机用常规的涡轮喷气式发动机的工作方式;当飞机加速到马赫数3以上时,其涡轮喷气机构被关闭,气道空气借助于导向叶片绕过压气机,直接流入加力喷管,此时该加力喷管成为冲压喷气发动机的燃烧室。
这种发动机适合要求高速飞行并且维持高马赫数巡航状态的飞机,在这些状态下,该发动机是以冲压喷气发动机方式工作的。
涡喷发动机适合航行的范围很广,从低空低亚音速到高空超音速飞机都广泛应用。前苏联的传奇战斗机米格-25高空超音速战机即采用留里卡设计局的涡喷发动机作为动力,曾经创下3.3马赫的战斗机速度纪录与37250米的升限纪录。
与涡轮风扇发动机相比,涡喷发动机燃油经济性要差一些,但是高速性能要优于涡扇,特别是高空高速性能。
同时喷气发动机尽管在低速时油耗要大于活塞式发动机,但其优异的高速性能使其迅速取代了后者,成为航空发动机的主流。
冲压喷气式发动机(简称冲压发动机)是一种构造非常简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行的空气喷气发动机。
从1913年法国工程师雷纳·劳伦提出冲压发动机概念,人类已经在这条与速度赛跑的路上前行了整整一百年。
冲压喷气式发动机通常由进气道(又称扩压器)、燃烧室、推进喷管三部组成。
这种发动机压缩空气的方法,是靠飞行器高速飞行时的相对气流进入发动机进气道中减速,将动能转变成压力能(例如进气速度为3倍音速时,理论上可使空气压力提高37倍)。
冲压发动机的工作时,高速气流迎面向发动机吹来,在进气道内扩张减速,气压和温度升高后进入燃烧室与燃油(一般为煤油)混合燃烧,将温度提高到2000到2200℃甚至更高,高温燃气随后经推进喷管膨胀加速,由喷口高速排出而产生推力。
冲压发动机的推力与进气速度有关,如进气速度为3倍音速时,在地面产生的静推力可以超过200千牛。
推力的产生与涡轮喷气发动机一样,是由于高速排气所产生的反作用力。其情况是:当飞机运动时,空气流以高速冲进发动机中,于是空气速度就骤降,压力便上升。
当压力刚刚达到最大值时,就由喷油嘴喷射燃料(煤油),开始燃烧,使得发动机燃烧室中空气温度和压力急速地增大,然后这种炙热的空气与燃烧产物相混合的气体,便以更大的速度从发动机喷管喷射出来。
喷气流的速度比进口的空气速度大得多,因而就造成反作用推力,使得飞机运动。气流喷出速度愈大,推力也就愈大。
没有压气机,不能在静止的条件下起动,所以不宜作为普通飞机的动力装置,而常与别的发动机配合使用,成为组合式动力装置。如冲压发动机与火箭发动机组合,冲压发动机与涡喷发动机或涡扇发动机组合等。
安装组合式动力装置的飞行器,在起飞时开动火箭发动机、涡喷或涡扇发动机,待飞行速度足够使冲压发动机正常工作的时,再使用冲压发动机而关闭与之配合工作的发动机。
在着陆阶段,当飞行器的飞行速度降低至冲压发动机不能正常工作时,又重新起动与之配合的发动机。
如果冲压发动机作为飞行器的动力装置单独使用时,则这种飞行器必须由其他飞行器携带至空中并具有一定速度时,才能将冲压发动机起动后投放。
冲压发动机或组合式冲压发动机一般用于导弹和超音速或亚音速靶机上。
冲压发动机只有三个主要部件——扩压器,燃烧室和尾喷管。虽然它只由很简单的三个管道形的部件构成,但是它可以发出非常大的推力,并且推力随飞行速度的增大而迅速增大。
冲压发动机结构简单,重量轻,推重比大,成本低。在飞行马赫数大于3的条件下使用,有较高的经济性。
它的缺点是不能自行起动,须用其他发动机作为助推器,而且只有飞行器达到一定飞行速度后才能有效工作。
它一般使用煤油做为燃料。由于它具有这种优良的特点——推力大、重量轻,因此非常适合于高空高速飞行。
目前的最高速度约为4倍音速(相当于4400公里/小时),高度可达30公里以上。但这数值还不是它的极限,估计以后它的飞行高度、速度还要进一步提高