简介
超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行M数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行M数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到位置4的较低超声速，然后燃料从壁面和/或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。
超燃冲压发动机
高超声速飞行器（飞行M数超过声速5倍的有翼和无翼飞行器）是未来军民用航空器的战略发展方向，被称为继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次革命。超燃冲压发动机是实现高超声速飞行器的首要关键技术，是目前世界各国竞相发展的热点领域之一。
目前，国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机。亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。当发动机飞行M数大于6时，实现超音速燃烧，当马赫数低于6时。实现亚音速燃烧。目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，NASA正在进行飞行试验的就是这种类型的发动机。亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流发动机制动原理进入超音速燃烧室。这种发动机适用于巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。
尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超音速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超音速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念，这种方案的马赫数范围是0－15，用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。国外已经研究过的组合式超燃冲压发动机主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这种组合发动机可能成为21世纪从地面起降的可重复使用的空天飞机的动力。
发展历史
用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有50多年的历史。20世纪90年代，，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。
80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划。但是，随着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近20亿美元。2004年，NASA的HyperX计划完成，成功地进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行试验。这两次飞行都是在单一速度和高度下，持续了数秒。
同年末，X－43A超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数9.6的记录。美国空军正在试图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。
超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员计划在2007年、2008年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在2009年展开一系列突破技术屏障的飞行试验。
目前已从概念和原理探索阶段进入了以飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。预计，到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速轰炸机和空天飞机将有可能投入使用。
主要特点
一是超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、比冲（单位质量流量推进剂产生的推力）高和速度快的优点。与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂。
因此，有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。由于有重要的军事和航空航天应用前景，超燃冲压发动机备受世界各国重视。昂贵的试验费用是制约超燃冲压发动机研制的主要因素之一。
二是超燃冲压发动机的缺点是在静止状态下不能自行启动，须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工作，且其低速性能不好。
航空中的运用
喷气式发动机的燃料燃烧需要氧气，但大气层外没有足够的氧气来维持燃烧。因此，飞往太空需要火箭推进，还要携带燃料和氧化剂。即使像航天飞机这样当今最先进的发射系统，液氧和固体氧化剂也占去了发射重量的一半，这才保证了在进入地球轨道的整个航程中，燃料能持续燃烧。超声速燃烧冲压式发动机可能是解决方法之一。它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂从飞行中获取氧气。节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员计划在2007年、2008年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在2009年展开一系列突破技术屏障的飞行试验。
主要类型
经过多年的发展，国外已研究设计过多种超燃冲压发动机的方案。主要包括普通超燃冲压发动机、亚燃/超燃双模态冲压发动机、亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机、吸气式预燃室超燃冲压发动机、引射超燃冲压发动机、整体式火箭液体超燃冲压发动机、固体双模态冲压发动机和超燃组合发动机等。其中，双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机是研究最多的两种类型。
双模态冲压
亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。当发动机的飞行M数低于6时，在超燃冲压发动机的进气道内产生正激波，实现亚声速燃烧；当M数大于6时，实现超声速燃烧，使超燃冲压发动机的M数下限降到3，扩展了超燃冲压发动机的工作范围。
目前，美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，俄罗斯多次飞行试验的超燃冲压发动机就是这种类型的发动机。NASA即将进行飞行试验的也是这种类型的发动机。这种超燃冲压发动机可用于高超声速的巡航导弹、无人驾驶飞机和有人驾驶飞机。
双燃烧室冲压
对于采用碳氢燃料的超燃冲压发动机来说，当发动机在M3~4.5范围工作时，会发生燃料不易着火的问题，为解决这一问题。人们提出了亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机概念。这种发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚声速燃烧室，另一部分引导其余来流进入超声速燃烧室。突扩的亚声速燃烧室起超燃燃烧室点火源的作用，使低M数下，燃料的热量得以有效释放。由于亚燃预燃室以富油方式工作，不存在亚燃冲压在贫油条件下的燃烧室-进气道不稳定性。这种方案技术风险小，发展费用较低，较适合巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。目前，掌握该技术的主要是美国霍布金斯大学的应用物理实验室。
超燃组合
尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超声速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超声速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念。早在50年代对超燃冲压概念进行论证时，人们就提出了以超燃冲压为主的组合式动力的方案，这种方案的M数范围是0~15甚至25。用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。至今，已经研究过的组合式超燃冲压发动机类型很多，包括涡轮/亚燃/超燃冲压、火箭/超燃冲压等。这种发动机将成为21世纪从地面起降的空天飞机的动力。
关健技术
燃料
流过超燃冲压发动机的气流速度始终为超声速，空气流过飞行器体内通常只有几毫秒的滞留时间，要想在这样短的时间内完成压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率的掺混、点火并燃烧是十分困难的，燃料与空气的掺混好坏直接影响发动机的长度和热负荷。因此，应对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多方面的因素进行综合性理论和试验研究。
燃烧室的设计
由于来流不均匀，超燃冲压发动机的燃烧室的工作非常复杂。因此，燃烧室的设计和试验特别是超声速燃烧过程的研究非常重要。尽管数值模拟技术已发展到了相当高的水平，但这种发动机燃烧室的研究发展还主要依靠试验。高超声速推进系统研究对试验设备的要求很高，要模拟的气动参数变化范围大。而且，只有有限的试验可在地面进行，大部分问题必须通过飞行试验解决。
一体化设计
超燃冲压发动机的机体/发动机的一体化设计是非常复杂的技术，包括气动力一体化、结构设计一体化、燃料供应和冷却系统设计一体化和调节控制设计一体化。
材料
这两项技术是超燃冲压发动机的基本技术，由于高超声速推进系统极高的热负荷，因此需要耐高温的陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料，同时需要燃料在工作过程中完成许多部件的冷却任务。低温液氢是吸引人的燃料和冷却剂，但它的密度太小，需要较大的容积。对于导弹来说，由于机动性和长时间储存要求，需要更合适的吸热燃料。
火焰保持器
研究人员在工作中进行了标准和并行的设计。如果SJX61－1工作的好，将保持现有的设计不变，但是，如果性能比预想的差，将用SJX61－2做替代。
热平衡
在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡，使发动机携带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非常重要的。但是，在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样，热的多余燃料必然堆积在发动机的某处，这将有可能使飞行器的航程受影响。替代的方案是在更低的速度下飞行，以减少达到正确热平衡的热负荷。
燃料的喷射
在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，出于结构上的考虑，发动机的流路可能是圆形的或椭圆形的。这将加剧燃料进入燃烧流的问题。解决这个问题的方案是采用在第一级喷射器后有第二级喷射器的串联喷射器，或者采用带冷却的挂架或支柱。但是，由于这些结构有非常高的热负荷，因此也带来了其他一些问题。目前，AFRL推进部正在与材料部和DARPA一起工作研究基于陶瓷的带燃油冷却的结构。明年年底将有可能完成这项工作。
火焰特性描述
研究人员已经在实验室条件下利用非干涉的基于光学的诊断技术在一台运行的超燃冲压发动机种确定了火焰的实际位置以及在核心流中发生的燃烧反应。这些设备用于飞行系统上是有可能的，甚至有可能用于燃气涡轮发动机上。
超燃冲压发动机
从20世纪50年代人们就开始研究超燃冲压发动机，最初的应用目标是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开始，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展M数4~8、射程1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M数3~8的双模态超燃冲压发动机已结束地面试验验证，进行了飞行试验。预计，到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。
综上所述，本文已为讲解超燃冲压发动机，相信大家对超燃冲压发动机的认识越来越深入，希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。
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