印度高超音速飞行器成功试飞，超燃冲压发动机究竟强在哪？

近日，印度成功试飞了高超音速技术演示飞行器(HSTDV)，表明了一项技术上的巨大飞跃。

(图源：DRDO)

这款高超音速巡航飞行器使用一枚现役战略导弹发射，并被带到30公里的高度。从导弹分离后，飞行器分离并达到速度6马赫，即6倍音速，持续超过20秒。

高超音速技术演示飞行器(HSTDV)项目是印度国防研究与发展组织(DRDO)的一个雄心勃勃的项目，旨在服务于多种军事和民用目的。

这是一架用于高超音速飞行的无人超音速冲压喷气发动机演示飞机，它能以6马赫的速度巡航，20秒内上升到32.5公里的高度。

成功测试和发射的HSTDV拥有广泛的用户群，其中包括未来用于防空的导弹、低成本、可重复使用的卫星运载火箭、监视和侦察以及节能开发。

初始飞行测试旨在验证飞行器的空气动力学、热特性和超燃冲压发动机的性能。

飞行器设计

(HSTDV)项目的机身与发动机连接的设计在2004年完成。以色列为HSTDV项目提供了一些帮助，包括风洞测试，英国克兰菲尔德大学也提供了一些帮助。

在建中的飞行器有1吨重、5.6米长，其特点是一个扁平的八角形截面，带有中部的短翼和倾斜的尾翼，以及一个3.7米长的矩形截面进气口。

超燃冲压发动机位于机身中部下方，后机身作为排气喷嘴的一部分。

在前体的两个平行的栅栏是为了减少泄漏和增加推力。部分跨襟翼位于机翼的后缘，用于侧滚控制。

在燃烧室末端的一个可偏转的喷嘴罩可偏转多达25度，以确保在动力断开和动力接通阶段的良好性能。

机身底部、机翼和尾翼的表面由钛合金制成，顶部表面由铝合金构成。双壁发动机的内表面为铌合金，外表面为镍铬钛合金。

达到高超音速的关键：超燃冲压发动机

达到6马赫或更高的速度的重点在于其中的超燃冲压发动机技术。

超燃冲压发动机技术的发展极其困难，在印度之前，只有三个国家(美国、俄罗斯和中国)已经成功地发展了这种技术。

超燃冲压发动机是喷气发动机的变种，一般的喷气发动机是通过喷气推进产生推力(或运动)的内燃机。喷气发动机由前方的压气机、后方的燃烧室和涡轮组成。

(图片来源:Stanislav-Z/ Shutterstock))

压气机和涡轮机安装在同一轴上。压气机由在轴上高速旋转的多个叶片组成，压气机前端的风扇从大气中吸入空气，然后对进入的空气进行压缩。

由于这种压缩，空气的压力和温度增加，速度下降。而在燃烧室中，燃料喷在压缩空气上，火花塞发出的火花点燃了混合物。然后，混合物自发膨胀，形成喷射。从喷嘴喷出的喷气机所产生的反作用力提供了动力。

所产生的推力的大小取决于出口射流的速度与进口空气的速度的比较。出口射流的速度越大，产生的推力就越大。

在离开引擎之前，射流会通过涡轮叶片。从涡轮叶片上流出的射流所产生的运动通过轴传递到压气机上。

传统喷气发动机的一个主要缺点是它所包含的运动部件的数量。这份清单包括多级压气机和涡轮转子，以及其他机械部件，如火花塞、冷却系统、加力燃烧器、燃料控制单元、原动机等。

这些部件增加了整个引擎的重量。工程的复杂性和可能导致引擎故障或关闭的事故的数量也会因为如此多的部件而急剧增加。

在传统喷气发动机中，压气机将进入的空气降低到亚音速速度。因此，当出口射流速度也保持在亚音速水平下时，可以产生有限的推力。

大多数喷气发动机只能达到亚音速速度，即速度低于1马赫，尽管有非常少的一部分能以3马赫左右的速度飞行。

冲压式喷气发动机和超燃冲压式喷气发动机则是喷气发动机的变种，摒弃了常规喷气发动机的旋转压缩机和涡轮。这两种模型依靠空气的自然撞击产生推力。

冲压发动机和超燃冲压发动机的基本工作原理是将进入的高超音速(速度大于5马赫)或超音速空气的重要动能转化为压力能。

高超声速下的空气具有很高的动压。然而，以亚音速速度流动的空气的动压力不足以产生任何可用的推力。此外，当飞机处于静止状态时，周围空气的动压力甚至更低，不能用来产生推力。

因此，冲压发动机和超燃冲压发动机在初始起飞时需要辅助，直到飞机达到特定的速度。

两种类型发动机都只有当周围的空气流动不低于超音速时才能有效工作，即从3马赫开始。

(冲压发动机和超燃冲压发动机不利用旋转压缩机和涡轮来产生推力，而是依靠空气的自然冲压。图源：GreyTrafalgar/Wikimedia Commons)

现在，对于这两种喷气发动机的结构，常规喷气发动机前端的压气机被扩压器取代，而发动机的另一端被推进式(缩扩)喷管占据。

扩散器是用来降低流体(在这种情况下是进入的空气)的速度和增加其压力、温度的装置。

另一方面，喷嘴是用来降低压力和增加流体的速度(排气射流)的。

由于冲压式发动机和超燃冲压式发动机中没有压气机，因此也就不需要涡轮了。

当高超声速运动的空气被迫通过扩压器时，其动压转化为静压。气流速度下降，而压力和温度上升。升高的温度和压力有助于混合物的燃烧。

其余的工作过程与普通喷气发动机相同。在燃烧室内，空气与燃料混合，火花塞帮助点燃混合物，而推进喷嘴加速排气气流产生推力。

冲压式喷气机与超音速燃烧冲压喷气发动机

在冲压发动机中，进入的空气被扩压器减慢到亚音速以下。它利用斜激波来降低气流速度，接着是最后的正常激波使气流降至亚音速以下。

由于产生的推力的大小取决于排气射流的速度，在冲压发动机中，类似于喷气发动机，产生的推力的大小受到燃烧室中亚音速气流的限制。

为了增加产生推力，进入的空气不得减速到低于亚音速的速度;超燃冲压发动机就能做到这一点。

超燃冲压发动机只不过是冲压发动机的升级;其名字也是“超音速燃烧冲压发动机”的缩写。

在超燃冲压发动机中，进入的气流不会减速到亚音速水平，而是保持超音速速度。这是由一个更逐渐发散的扩散器来完成的。

超燃冲压发动机的燃烧室也被修改为在超音速速度下工作，而冲压发动机的燃烧室只在亚音速速度下工作。

推进喷嘴也进行了改进，以加速排气射流到更高的马赫数。因此，超燃冲压发动机产生的推力大于冲压发动机，可以飞得更快。

超燃冲压发动机携带燃料并使用从大气中摄取的氧气作为氧化剂，而火箭则同时携带燃料和氧化剂。

由于超燃冲压发动机不携带氧化剂，它们只能在大气中飞行，目前还不能用于太空旅行。

技术限制

1991年11月，第一架超音速冲压发动机驱动的飞行器起飞，由俄罗斯开发。这项技术目前只有寥寥国家掌握。

限制该技术发展的一个原因是需要额外的发射装置来达到初始速度，空气摩擦和冲击波产生的热量则是另一个问题。

较差的推重比限制了加速度，而且飞机也需要相当大才能携带一定的有效载荷。

最重要的是，超燃冲压发动机技术的制造和测试极其昂贵。因此，尽管看起来令人激动，但这项技术看起来仍不能在很近的未来大规模推广。

编译/前瞻高端装备研究组

参考资料：

https://economictimes.indiatimes.com/news/defence/drdo-successfully-flight-tests-hypersonic-vehicle-at-six-times-the-speed-of-sound/new-frontiers/slideshow/77978644.cms

https://www.scienceabc.com/innovation/what-is-a-scramjet-engine.html