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爆轰波
这个速度与发动机排气速度有很大的关系,对于喷气式发动机,尽管燃烧传播速度没过音速,但仍然可以通过尾喷管的形状,在收敛阶段超过音速,比如喷气式发动机的马赫环,它是这样形成的:
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超音速飞行的飞机发动机喷嘴都是收敛-扩张型,喷出的气体在收敛段由亚音速加速至音速。从最窄处到喷嘴为扩张段,这一段气流会被加速至超音速,火箭发动机的喷气速度为数倍音速,这些高温气体高速喷出时,由于喷管形状产生的激波形成波峰波谷,造成一明一暗间隔的现象。
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要想让排气速度超过音速,要么改变喷管形状,要么不断增加喷管前燃烧室内的压力,也就是喷入更多的燃料,以维持压力,这就是等压燃烧。而以超音速燃烧的爆轰燃烧则不一样,它的爆轰波速度基本是固定的,也就是处在爆轰状态,这就是等容燃烧(相当于固定大小空间的爆炸),这种方式天生的排气速度就达到了音速的5~6倍左右。
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排气速度与飞行速度无关,但与燃料消耗率有关
发动机的排气速度和飞行器的最终速度并没有直接关系,比如火箭的排气速度可达1.7千米/秒,但它加速的飞船可以超过第二宇宙速度甚至第三宇宙速度飞出太阳系,只是火箭有个毛病,它需要大量燃料不断燃烧排气获得累积加速。
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提高飞行器速度的解决办法,除了大量燃料外,还可以提高发动机的排气速度,比如离子电推的排气速度可达10千米/秒,这种提高排气速度来增加燃料利用率的方式也可以理解为提高了发动机的比冲。
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这个比冲的意思就是火箭发动机单位重量的推进剂产生的冲量,当然排气速度越高,这个数字就越大,一般液体火箭的450秒只有氢氧发动机才能达到,如果是煤油机,350秒左右就已经相当不错了,普通的肼类燃料连300秒都不到。
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爆震发动机的比冲大约是涡轮风扇发动机的1.5~2倍,这种发动机一旦投入使用,那么它的燃料利用率将会达到极致,装载同等燃料的飞行器航程将会是目前的2倍,成本会大幅度降低,当然全球各国看中的还是它在高超音速领域的应用。
旋转爆震发动机:到底是个什么鬼?
上文已经说明了爆震发动机的原理,它是利用燃料与空气混合引爆后以爆轰波向尾喷口扩散来作为推进,前文也说明了这种方式比较节省燃料,因为它可以工作贫燃状态,并且这种发动机结构非常简单,就目前而言主要有几种机构方式:
- 1、多管爆震(PDE);
- 2、旋转爆震(RDE);
- 3、斜激波爆震(ODE);
多管爆震是多根爆震管并联,以一定的频率运行的爆震发动机,因为爆震发动机尽管有燃料利用率高的优势,但如果频率太低,无法形成连续推力,那么这种发动机只能说数据很好但却无法实用,因此要多管并联形成高频连续推力。
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多管共喷管爆震发动机
这个所谓的高频至少也得50~80HZ左右,当然管数越多、频率越高则推重比和推力都会增加,因此多管并联就成了趋势。这种多管爆震发动机的缺点是需要连续点火,当然其优势是可以搭配多种结构,其一是可以自吸气与火箭混用:
- 自吸气式PDE