航空发动机是现代飞机的动力核心,它代表了人类文明征服天空的力量,是现代工业技术皇冠上的明珠。而传统的航空发动机可以分为三类:活塞式航空发动机,燃气涡轮发动机和冲压转子发动机。其中,活塞发动机是早期在飞机或直升机上应用的航空发动机,用于带动螺旋桨或旋翼。后来为功率大、高速性能好的燃气涡轮发动机所取代。目前,仅有部分小功率的活塞式发动机用于轻型飞机、直升机及超轻型飞机上。
成熟稳重的涡扇发动机
燃气轮机包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机这几种,都具有压气机、燃烧室和燃气涡轮。涡轮螺旋桨发动机主要用于时速小于800千米的飞机;涡轮轴发动机主要用作直升机的动力;涡轮风扇发动机主要用于速度更高的飞机;涡轮喷气发动机主要用于超音速飞机。
大家常见的民航客机上大多数都是使用的涡轮风扇发动机。
传统航空燃气涡轮发动机主要由进气道(Intake)、压气机(compressor)、燃烧室(combustion chamber)、涡轮(turbine)、喷管(Exhaust)等部分构成。新鲜空气由进气道进入燃气轮机后,首先由压气机加压成高压气体,接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气,然后进入涡轮段推动涡轮,将燃气的焓和动能转换成机械能输出,最后的废气由尾喷管排出。而由涡轮输出的机械能中,一部分会用来驱动压气机,另一部分则经由传动轴输出(涡轮轴发动机),用以驱动我们希望驱动的机构如发电机、传动系统或飞行器螺旋桨等。
轻灵高速的冲压发动机
而冲压发动机的特点是无压气机和燃气涡轮,进入燃烧室的空气利用高速飞行时的冲压作用增压。它构造简单、推力大,特别适用于高速高空飞行。
虽然冲压发动机在某些情况下效率很高,结构很轻巧,然而,它的弱点也很突出。冲压发动机需要达到一定速度后才能开启。低速时,没有了前方的高速气流来压缩空气,冲压发动机便会失效。这也是为什么,设计速度达到 M7 以上,高度 3 万米以上的美国的高超音速(也叫极音速)飞行器X-43A在飞行时,一般是把其绑在飞马座火箭上,再由B-52同温层堡垒式轰炸机运往高空释放。
燃气涡轮与冲压的结晶
如今,航空飞行器上使用最多的动力装置仍然是结构复杂的吸气式燃气涡轮发动机 ,其压缩系统占据了发动机很大一部分的结构和质量。而由于低速状态无法启动的问题,目前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。
在这样的背景下,智慧的工程师们想到了结合燃气涡轮发动机自由启动与冲压发动机高速度的优势,设计出了一类新型的航空发动机——冲压转子发动机。
冲压转子发动机是一种集冲压发动机技术和燃气涡轮发动机技术为一体的新概念发动机。冲压转子发动机本质上是绕发动机轴旋转的冲压发动机,由于高速旋转,使气流以相对马赫数2到3的速度进入冲压转子,经激波压缩过程转变为亚声速,燃烧后加热,在其后的收敛-扩散形拉瓦尔喷管中再次膨胀加速,并以超声速喷出,所以冲压转子本身既是压气机又是燃烧室同时又是涡轮,从而大大简化了发动机的结构。
目前,冲压转子发动机还处于研发与验证的阶段,但是在不远的将来,我们或许能够看到,翱翔在天空中的飞机会拥有一颗冲压转子发动机的强劲心脏!
