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變迴圈渦扇發動機+衝壓發動機:未來發動機中的組合發動機

文/陳光

渦輪噴氣+超燃衝壓發動機

該發動機以衝壓發動機為外殼, 內置一台渦輪噴氣發動機。 當起飛和低速飛行時, 渦噴發動機進氣口打開並工作;

當飛行器加速到一定速度後(如馬赫數大於2), 渦噴發動機進氣口關閉, 整個渦噴發動機相當於衝壓發動機的進氣錐, 氣流繞過渦噴發動機外殼進入衝壓發動機的燃燒室, 進行超聲速燃燒, 衝壓發動機開始工作, 並將飛行器加速到更高的速度;

當減速時則工作程式相反。 該發動機既可實現高超聲速飛行, 又可覆蓋現有噴氣發動機的大部分飛行包線, 是未來大氣層內以吸氣式發動機為動力的高速飛行的理想動力裝置。

超燃衝壓+火箭發動機

為了達到更高的飛行速度和高度, 飛行器將在大氣層與外太空的邊緣處飛行(高度50~100公里)。

此處空氣極其稀薄, 氧含量極低, 完全依靠吸入外部空氣中的氧氣來維持發動機工作已十分困難, 必須採取吸氣式發動機與火箭發動機的組合動力裝置。 裝備該動力的飛行器除攜帶燃料外, 還需攜帶部分氧化劑。

當飛行器在大氣層內飛行時, 以衝壓發動機為動力, 完全利用吸入的空氣與燃料摻混燃燒;

隨著飛行高度的提高, 吸入的氧含量越來越少, 將根據需要補充部分氧化劑, 發動機的工作模式轉為吸氣+火箭發動機的混合工作模式;

隨著飛行高度的進一步升高, 在飛出大氣層後, 發動機的工作模式將由吸氣式轉為完全的火箭發動機工作模式, 為飛行器在外太空的運動提供動力。

其燃料必須使用高熱值的液氫燃料, 在提供給發動機的同時, 還必須將其用於冷卻高溫機體和熱端部件。 氧化劑可以完全依靠自身攜帶, 也可利用大氣層內飛行過程, 吸收並儲存大氣中的氧氣, 供外太空飛行使用。

該發動機可實現大氣層內外的往返自由飛行, 是天地往返式可控飛行的優選動力方案之一。

變迴圈渦扇發動機+衝壓發動機

20世紀90年代以來, 針對高超聲速運輸機的動力需求, 美、英、法、俄、日等國單獨或合作研究了多種方案, 比如渦輪涵道發動機、外涵燃燒風扇發動機、超聲速通流風扇發動機、變迴圈發動機和渦扇-衝壓組合發動機等。

1989~1999年, 由日本政府主持、日本三家發動機公司和四家國立實驗室、美、歐四家著名發動機公司參加,

投資3億美元, 實施了超聲速和高超聲速推進系統研究計畫(HYPR), 取得重大突破。

在此基礎上, 又開始一項新的計畫, 為下一代馬赫數5高超聲速運輸機研發動力裝置。 它是一種組合迴圈發動機(CCE), 由變迴圈渦扇發動機(VCE)和以甲烷為燃料的衝壓發動機組合而成(圖11-11), 海平面靜態推力27551公斤力。

裝機物件是300座4發高超聲速客機, 最大起飛重量440噸, 巡航速度為馬赫數5, 巡航高度28.3公里,航程12000公里,從東京到紐約只要3個小時, 只有目前飛行時間的1/5左右。 飛機在起飛和著陸時,VCE的涵道比增加以降低雜訊;

在馬赫數3以下巡航時,VCE的涵道比減小以使燃料消耗最少而具有大的單位推力;在馬赫數3以上巡航時,衝壓發動機取代VCE投入工作。這種高超聲速客機預計2030年左右進行試飛。

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在馬赫數3以下巡航時,VCE的涵道比減小以使燃料消耗最少而具有大的單位推力;在馬赫數3以上巡航時,衝壓發動機取代VCE投入工作。這種高超聲速客機預計2030年左右進行試飛。

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