新型航空發(fā)動機
非傳統(tǒng)新型航空動力是指傳統(tǒng)的渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞、沖壓、火箭發(fā)動機以外的新型先進航空發(fā)動機。非傳統(tǒng)新型航空發(fā)動機大致包括以下3類:一是新概念發(fā)動機。在結(jié)構(gòu)、原理或循環(huán)特性上與傳統(tǒng)發(fā)動機具有很大的區(qū)別與創(chuàng)新,如脈沖爆震發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機、波轉(zhuǎn)子發(fā)動機、等離子體發(fā)動機、分布式矢量推進發(fā)動機等。二是重大革新型發(fā)動機。在傳統(tǒng)的發(fā)動機原理、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了重大革新。如多電發(fā)動機、自適應循環(huán)發(fā)動機、智能發(fā)動機、間冷回熱發(fā)動機、槳扇發(fā)動機、超微型渦輪發(fā)動機、沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動機、骨架結(jié)構(gòu)發(fā)動機和各種組合發(fā)動機等。三是新能源發(fā)動機。面對石油資源的枯竭和綠色環(huán)保的要求,開發(fā)使用航空煤油以外的新燃料和新能源。如氫燃料/合成燃料/生物燃料/天然氣燃料發(fā)動機,太陽能、核能、燃料電池、激光和微波能發(fā)動機等。 1.超燃沖壓發(fā)動機
超燃沖壓發(fā)動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓噴氣發(fā)動機。超然沖壓發(fā)動機技術(shù)是高超聲速飛行器推進技術(shù),乃至整個高超聲速飛行器技術(shù)的核心技術(shù)。超燃沖壓發(fā)動機的適用速度范圍為馬赫數(shù)5-16,主要用于高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機和可重復使用的航天運載器。航空發(fā)動機
超燃沖壓發(fā)動機由進氣道、超聲速燃燒室(有的方案還包含一個亞聲速燃燒的預燃室)和噴管組成。燃料分級噴入進氣道和燃燒室,與超聲速氣流混合進行燃燒,高溫燃氣從噴管噴出產(chǎn)生推力。由于超聲速燃燒中燃料在燃燒室內(nèi)停留時間極短,要保證完全燃燒,需要熱值高、熱穩(wěn)定性好、能自燃點火和點火延遲期短的高反應速率的燃料(如液氫或特殊的碳氫燃料等)。 超燃沖壓發(fā)動機主要有兩種類型:一種是直接將燃料噴射到超聲速氣流中,通過控制燃料噴射的位置,可使燃燒由亞聲速燃燒模態(tài)過渡到超聲速燃燒模態(tài),故稱雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機。另一種是從進氣道先將一部分氣流引入亞聲速燃燒室預燃,然后與大部分超聲速氣流混合補燃,再從尾噴管噴出,故稱雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機。
2.渦輪沖壓組合發(fā)動機
渦輪沖壓組合發(fā)動機是將渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機組合起來使用的吸氣式發(fā)動機。根據(jù)渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的組合方式,可以分為分體式和整體式組合發(fā)動機,其中整體式組合發(fā)動機又根據(jù)渦輪和沖壓兩類發(fā)動機主要部件的關(guān)系和流程分為串聯(lián)布局和并聯(lián)布局。在渦輪沖壓組合發(fā)動機中,沖壓發(fā)動機按其工作模態(tài)分為亞燃、超燃和雙燃沖壓發(fā)動機。 在沖壓工作模態(tài),渦輪發(fā)動機主燃燒室停止工作,加力燃燒室作為沖壓發(fā)動機的燃燒室。由于渦輪發(fā)動機在中低馬赫數(shù)的比沖高、耗油率低,適用于中低速、長航程飛行器,而沖壓發(fā)動機適用于高速、短航程飛行器,將渦輪發(fā)動機與沖壓噴氣發(fā)動機有機結(jié)合起來,使其同時具有渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的優(yōu)點,在滿足遠程、高速、快速到達/攻擊方面具有明顯的優(yōu)勢,可用于高空高速的偵察機、運輸機、轟炸機和攻擊機以及高速遠程巡航導彈等。
采用渦輪沖壓組合發(fā)動機的高速飛行器,在起飛階段使用渦輪發(fā)動機,爬升到一定高度后加速到?jīng)_壓發(fā)動機開始工作狀態(tài),沖壓發(fā)動機投入工作后逐漸關(guān)掉渦輪發(fā)動機,利用沖壓發(fā)動機爬升、加速至高馬赫數(shù);返回時關(guān)掉沖壓發(fā)動機,重新啟動渦輪發(fā)動機,使飛行器安全返航。因而高空高速飛行器具有水平起飛和降落的功能,同時具有航程遠、多次反復使用的特點。
3.脈沖爆震發(fā)動機
脈沖爆震發(fā)動機(pulse Detonation Engine,PDE)是一種利用脈沖式爆震波產(chǎn)生推力的新概念發(fā)動機。這種類型發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單,少有或無運動部件,熱循環(huán)效率比常規(guī)活塞、渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機更高,推重比高,耗油率低,被認為是21世紀最有潛力的航空航天動力,因此在現(xiàn)代航空發(fā)動機領(lǐng)域具有廣闊的應用前景,可用于無人駕駛飛機動力裝置、靶機、引誘飛機、靶彈動力裝置、遠程導彈、戰(zhàn)略飛機動力裝置和高超聲速飛機動力裝置等,是航空航天領(lǐng)域革命性動力之一。根據(jù)其用途的不同,可以將吸氣式脈沖爆震發(fā)動機大致分為3類:純脈沖爆震發(fā)動機、混合式脈沖爆震發(fā)動機和組合式脈沖爆震發(fā)動機。 4.間冷回熱循環(huán)技術(shù)
間冷回熱循環(huán)概念最早于20世紀五十年代提出,隨后各國開始進行大量的理論與實驗研究。間冷回熱渦扇發(fā)動機是一種新型節(jié)能環(huán)保航空發(fā)動機,通過在傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機熱循環(huán)基礎(chǔ)上增加間冷和回熱過程,可使得發(fā)動機擁有更低的耗油率。回熱器是間冷回熱渦扇發(fā)動機的一個主要特征部件,工作在超過900K的高溫核心流中,其性能將直接影響發(fā)動機的性能,其設(shè)計技術(shù)是間冷回熱渦扇發(fā)動機的一個關(guān)鍵技術(shù)。 5.槳扇發(fā)動機
槳扇發(fā)動機是一種介于渦槳發(fā)動機和渦扇發(fā)動機之間的結(jié)構(gòu),看上去很像螺旋槳,但實際上與風扇和螺旋槳都不同。新型螺旋槳由兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的螺旋槳在一起工作,螺旋槳的槳葉較多,每片槳葉形狀較戴彎曲后掠呈馬刀形,但隨著飛行速度的增加,螺旋槳的轉(zhuǎn)速進一步爆高時,就會遇到很多問題,不僅葉尖速度達到聲速,將對降低阻力和聲學特性造成影響,而且效率也會變低,耗油率還要增加。槳扇發(fā)動機的研制彌補了渦槳發(fā)動機耗油率的不足。槳扇發(fā)動機的螺旋槳直徑要比渦槳發(fā)動機的螺旋槳直徑小,比渦扇發(fā)動機的風扇直徑要大。槳扇發(fā)動機的彎刀形槳葉有助于大大降低葉尖速度、氣動阻力和聲擾動。槳扇發(fā)動機的槳扇有單排和雙排,槳扇能夠提供90%~92%的推力。雙排對轉(zhuǎn)槳扇具有高巡航速度時的高飛行效率的優(yōu)點。與單排槳扇相比,雙排槳扇的效率要高10%。雙排槳扇還能大大減少出口氣流扭轉(zhuǎn),這樣在保證機翼周圍氣流流動和增加機翼升力的同時,進一步提高效率。 槳扇發(fā)動機有無涵道槳扇和涵道槳扇兩種。無涵道槳扇雖然能夠降低耗油率,但由于其直徑很大,所以無法安裝在飛機的翼下吊艙內(nèi)。與無涵道槳扇相比,涵道槳扇與飛機機體之間具有更好的適裝性,因此在較寬的速度范圍內(nèi)涵道槳扇發(fā)動機更有優(yōu)勢。涵道槳扇槳葉角度可調(diào),以使飛機著陸時在沒有笨重、復雜而又昂貴的反推力裝置和不損壞前向推力特性的情況下能夠迅速停下來。