冲压发动机

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冲压引擎（Ramjet）是喷射引擎的一种，它利用了引擎的前向运动来压缩空气，而不使用带有可旋转叶片的压缩机。冲压引擎无法在空速为零的时候产生推力，因此无法使飞行器从静止启动。冲压引擎主要是利用高速迎面气流进入引擎后减速使空气增压的航空引擎。通常由进气道（又称扩压器）、燃烧室和喷管组成。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。

冲压引擎需要相当高的速度才能良好作用，而在速度达到3马赫左右的时候效率最佳。而冲压引擎最高可以在6马赫的速度下工作。

冲压引擎的体积比较小，结构比较简单，因此对于那些需要这种引擎的高速飞行器相当有用，比如导弹。而武器设计者试图在火炮中使用冲压引擎的技术；例如，使用冲压引擎辅助的120mm口径喷进弹（Rocket-assisted projectile），射程可达35公里。此外，冲压引擎也被应用于直升机的翼端引擎，但效率并不高。

冲压引擎经常与脉冲压式喷射引擎混淆。脉冲引擎使用间歇的燃烧方式，而冲压引擎采用连续燃烧的方式。这两种引擎有着本质的区别。

## 历史

法国发明家René Lorin在1913年发明冲压引擎，并申请专利。但是由于缺少足够的材料，建造原型机的工作失败了。

在1915年，匈牙利发明家Albert Fonó设计了一种增加火炮射程的解决方案。他将火药发射的炮弹与冲压引擎推进结构结合起来，使得尽管发射速度比较低，炮弹仍能有较远的射程，同时也允许相对轻型的火炮可以发射重型的炮弹。Fonó将他的发明提交给了奥匈军队，但是这项提案被否决了。在第一次世界大战之后，Fonó回到了喷气推进的课题中。1928年5月，他在一份德国专利申请中描述了一种可以用于高海拔超音速飞行器的喷气引擎。而在附加的专利申请中，他调整了引擎使之可以用于亚音速飞行。经过四年的专利审查，于1932年他获得了这项专利（德国专利号No. 554,906, 1932-11-02）。

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美国海军使用“Gorgon”这个名字发展了一系列空对空导弹，使用了不同的推进技术，其中也包括了冲压引擎。Glenn Martin使用冲压引擎制造了Gorgon四型导弹，于1948年和1949年在Point Mugu海军航空站测试。这枚导弹中使用的冲压引擎由南加州大学设计，由Marquardt Corporation制造。这个引擎长7英尺，直径20英寸，被安放于导弹下部。

在苏联，超音速冲压引擎的理论在1928年由Brois S. Stechkin提出。Yuri Pobedonostsev对冲压引擎进行了大量地研究。第一个引擎，GIRD-04在1933年4月由I.A. Merkulov设计并测试。为了模拟超音速的飞行，实验中向引擎提供了200个大气压的空气，而引擎使用氢气作为燃料。冲压引擎GIRD-08使用了磷作为燃料。为了测试这台引擎，实验者使用一个加农炮将它发射出去。这些炮弹可能是最早的喷气动力的超音速弹丸。1939年，Merkulov将冲压引擎用于R-3二级火箭，并进行了相关的测试。这年8月，他制造了首架以冲压引擎作为附加动力的战斗机，引擎名为DM-1，并于12月进行了世界上首次以冲压引擎为动力的飞行。飞机为一架经过改装的Polikarpov I-15，使用了两部DM-2引擎。1941年，Merkulov开始设计一种冲压引擎为动力的战斗机Samolet D，但没能完成。在第二次世界大战中，两部他设计的DM-4型引擎被安装在Yak-7 PVRD战斗机上。1940年，以液态燃料火箭发射、以冲压引擎为飞行动力的Kostikov-302实验飞机设计完成。该专案于1944年取消。1947年，Mstislav Keldysh提出了一种远距离轨道轰炸机的设计方案，使用冲压引擎来代替火箭引擎。1953年，NPO Lavochkin和Keldysh开始设计三倍音速的冲压引擎驱动的巡航导弹，Burya。该专案与R-7 ICBM同时完成，于1957年取消。

1936年，Hellmuth Walter建造了以使用天然气作为动力的测试引擎。BMW、容克斯和DFL进行了理论的研究工作。在1941年，来自DSL的Eugen Sänger提出了一种使用非常高燃烧温度的冲压引擎。他建造了非常大的冲压引擎管道（直径为500 mm和1000mm）并在卡车上和设置在以高达200m/s飞行的飞机上的专用的测试设备上进行了测试。随后，由于战争中汽油在德国变成了稀缺资源，测试使用了块状的压缩煤作为燃料。但是由于煤燃烧速度慢，测试没有成功。

## 结构

在空气中高速运行的物体将会在运行的前方产生高压区域，而后方产生低压区域。冲压发动机利用了发动机前方的高压使空气进入发动机管道，随后，空气与燃料混合燃烧。加热后的空气传送到喷嘴并被加速至超音速。这个加速给予冲压发动机前进的推力。

冲压发动机通常被描述成“飞行的烟囱”。这个设备非常简单，包括一个进气口、燃烧室、和一个喷嘴。通常，冲压发动机中唯一的活动结构在涡轮泵中，这个泵将液态燃料泵入燃烧室。而固态燃料的冲压发动机的结构更为简单。作为对比，一个涡轮喷气发动机通常包括涡轮驱动的风扇来压缩空气，这将使发动机在低速时有更高的效率，而此时冲压发动机的效率比较低。但是涡轮喷气发动机更加复杂、沉重，造价也更昂贵。涡轮机的温度限制也限制了最高速度与高速时的推力。

### 进气口

冲压发动机利用了入口附近的非常高的动态压力。有效率的空气入口可以恢复大部分自由流滞止压力，这个压力可以用来支持燃烧与喷嘴处的膨胀过程。

大多数冲压发动机在超音速的状态下才能工作。进气口通过进气道截面积的变化使得气流速度降低，最终在出口处达到亚音速。进一步地传播将使得气流的速度进一步下降到适于燃烧的水平。

由于气流已经降至亚音速，亚音速的冲压发动机不需要复杂的进气口设计。略超过音速时，这个设计也可以使用，但是空气将在进气口阻塞，使发动机效率降低。

### 燃烧室

和其他的喷气发动机类似，燃烧室的功能是提供加热的空气。燃烧室需要将燃料与恒定气压的空气混合并燃烧，以完成该功能。由于通常流经发动机的气流速度很高，受保护的燃烧区域通常使用火焰稳定器来防止火焰被吹灭。

## 原理

冲压发动机本身没有活动的部分，气流从前端进气口进入发动机之后，利用进气道截面积的变化，让高速气流降低速度，并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后燃烧。由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不决的从前方进入，因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作，只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度，必须有其他的辅助动力系统自静止或者是低速下提高飞行速度，然后才点燃冲压发动机。

由于没有活动组件，冲压发动机与一般喷气发动机比较起来，重量较低，结构也比较简单，不过冲压发动机在低速时的气体压缩效果有限，因此低速时效率比较差。

冲压发动机适合的工作环境是在2马赫与以上的速度，最低启动速度也大约是此界线，随着速度逐渐增加，气体的冲压效应在3马赫时效率会大幅压过涡轮喷射引擎，而此时的涡轮喷射发动机受限于超温往往已经无法运作了，但是冲压发动机在燃烧的阶段，进气气流的速度仍然需要经过震波减速在音速以下，否则燃烧过程将无法维持。新一代的冲压发动机称为超音速燃烧冲压发动机（Scramjet），这种发动机的气流在燃烧阶段还是维持在音速以上的速度，在技术难度上更高，也是目前主要发动机公司发展的对象。

## 外部链接

- NASA ramjet information and model
- "Riding The Ramjet" January 1949, Popular Mechanics article that covers the USAF first experiment with ramjets on a P-80 fighter
- The Boeing Logbook: 2002–2004
- Design notes on a ramjet-powered helicopter