高超聲速飛行器

高超音速飛行器是指飛行速度超過5倍音速的飛行器、導(dǎo)彈、炮彈等有翼或無翼飛行器具有突防成功率高的特點，具有巨大的軍事價值和潛在的經(jīng)濟(jì)價值。

2022年4月7日，據(jù)美國國防高級研究計劃局飛行國際報道（DARPA）高超音速吸氣式武器(HAWC)該項目完成了第二次飛行測試。

動力系統(tǒng)

噴氣式發(fā)動機(jī)

高超聲速飛行器

噴氣式發(fā)動機(jī)通常由進(jìn)氣口組成、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管。一些軍用發(fā)動機(jī)在渦輪和尾噴管之間有加力燃燒室。噴氣發(fā)動機(jī)屬于熱機(jī)，做功的原理也是這樣的：高壓輸入能量，低壓釋放能量。工作時，發(fā)動機(jī)首先從進(jìn)氣口吸入空氣。這個過程不是簡單的開一個入口由于飛行速度是可變的，壓氣機(jī)對進(jìn)氣速度有嚴(yán)格的要求，進(jìn)氣道必須能夠?qū)⑦M(jìn)氣速度控制在合適的范圍內(nèi)。顧名思義，壓縮機(jī)是用來增加吸入空氣的壓力的。壓縮機(jī)主要是風(fēng)扇葉片的形式，葉片的旋轉(zhuǎn)對氣流做功，使得氣流的壓力、溫度升高。然后高壓氣流進(jìn)入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴噴射油，油與空氣混合后被點燃，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)猓蚝笈欧拧８邷馗邏簹怏w通過高溫渦輪回流，部分內(nèi)能在渦輪中膨脹，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)。因為高溫渦輪和壓縮機(jī)裝在同一根軸上，所以也帶動壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而反復(fù)壓縮吸入的空氣。從高溫渦輪流出的高溫高壓氣體在尾噴管中繼續(xù)膨脹，并從尾噴管高速向后排出。這個速度遠(yuǎn)大于氣流進(jìn)入發(fā)動機(jī)的速度，從而對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生反推力，驅(qū)動飛機(jī)向前飛行。

超燃沖壓發(fā)動機(jī)

沖壓發(fā)動機(jī)是一種吸氣式發(fā)動機(jī)，利用大氣中的氧氣作為全部或部分氧化劑，與攜帶的燃料發(fā)生反應(yīng)。與壓氣機(jī)增壓的航空發(fā)動機(jī)不同，它是利用結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的激波壓縮高速氣流，實現(xiàn)氣流減速增壓整體結(jié)構(gòu)比較簡單。其工作原理是首先，高速氣流通過進(jìn)氣口減速增壓，空氣在燃燒室內(nèi)與燃油發(fā)生反應(yīng)，通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能。最后，氣體膨脹并加速通過噴嘴，排入大氣此時噴嘴出口處的氣體速度高于進(jìn)口處的氣體速度，因此產(chǎn)生向前的推力。

超燃沖壓發(fā)動機(jī)主要由進(jìn)氣道組成、隔離段、燃燒室和尾噴管。進(jìn)氣道的主要作用是捕獲足夠的空氣，并通過一系列的激波壓縮空氣，為燃燒室提供一定的流量、溫度、加壓氣流可燃組織。隔離段是進(jìn)氣道與燃燒室之間的一條等直通道，其作用是消除燃燒室壓力波動對進(jìn)氣道的影響，實現(xiàn)不同工況下進(jìn)氣道與燃燒室的良好匹配。點火后燃燒室壓力升高時，在隔離段會產(chǎn)生一系列沖擊波，沖擊波的長度和位置會隨著燃燒室背壓的變化而變化。當(dāng)隔離段的長度足夠時，可以確保燃燒室的壓力波動不會影響進(jìn)氣口。燃燒室是燃料噴射和燃燒的地方在超燃沖壓發(fā)動機(jī)中，燃料可以從壁面支撐板或燃料注入桿注入。超燃沖壓發(fā)動機(jī)的火焰穩(wěn)定不同于超燃沖壓發(fā)動機(jī)，因此它可以 不要被使用“V”凹槽等侵入式火焰穩(wěn)定器，因為它們會帶來很大的阻力，所以凹腔目前被廣泛用作火焰穩(wěn)定器。尾噴管是空氣膨脹產(chǎn)生推力的地方。

熱防護(hù)

高超聲速飛行器研制中遇到的另一個難題是氣動加熱，稱為熱障。主要是因為飛機(jī)飛行時的沖擊波和粘性，周圍空氣溫度急劇上升，形成激烈的氣動加熱環(huán)境，這是一般飛機(jī)結(jié)構(gòu)無法承受的。為了克服熱障，科研人員首先精心設(shè)計了飛行器的飛行軌跡和氣動外形，在不影響或少影響飛行器性能的情況下，盡可能降低進(jìn)入飛行器的氣動加熱率，即熱流。

克服熱障的主要手段是保護(hù)飛機(jī)不受熱，根據(jù)防熱機(jī)理將防熱方法分為以下幾種：熱沉防熱；輻射防熱；汗水冷卻和消融熱保護(hù)。

熱沉熱防護(hù)主要是利用材料的熱容量來吸收熱量。任何材料都有熱容，但作為防熱材料時有其特殊要求。首先要有大的比熱，這樣單位質(zhì)量的材料才能吸收更多的熱量；其次，要有高導(dǎo)熱率只有這樣，熱沉材料的溫差才不會太大否則，受熱面接近或達(dá)到材料的破壞溫度，其余部分的溫度仍然較低，所以材料的電位 s的大熱容量不能充分發(fā)揮。由于熱沉材料的失效溫度一般不是很高，比如銅的熔點是135，733，356 K，為了吸收大量的熱量，就需要大幅度增加熱沉材料的質(zhì)量，形成一個比較笨重的熱防護(hù)系統(tǒng)。

輻射熱防護(hù)主要是利用材料的輻射特性。將空氣動力的熱量輻射到它的表面。由于輻射熱通量與表面溫度的四次方成正比，因此所選用的輻射熱防護(hù)材料不僅要有高的輻射特性，還要有低的導(dǎo)熱系數(shù)和耐高溫性能。

汗液降溫防熱是通過多孔表面滲出液體來達(dá)到防熱的目的。主要依靠熱阻擋效應(yīng)或物質(zhì)拋射效應(yīng)的機(jī)制來防熱。其基本原理是，當(dāng)流體注入飛機(jī)表面的氣體邊界層時，邊界層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，厚度增加，溫度梯度降低，從而減少進(jìn)入飛機(jī)的對流傳熱。發(fā)汗冷卻用于飛行器熱防護(hù)的優(yōu)點是飛行過程中氣動外形沒有變化，還可以通過控制流體的泄漏來適應(yīng)不同熱流的熱防護(hù)要求。氣膜冷卻和熱防護(hù)是依靠液體或氣體從飛機(jī)表面的小孔噴出，在表面形成一層薄薄的液膜或氣膜，將飛機(jī)表面與高溫氣體隔開，然后液體蒸發(fā)吸熱，氣體注入邊界層，產(chǎn)生熱阻隔效應(yīng)，減少對流傳熱進(jìn)入飛機(jī)。薄膜冷卻熱防護(hù)類似于上述發(fā)汗冷卻熱防護(hù)。許多人將其歸因于出汗降溫和防熱。

燒蝕通過燒掉外層來保護(hù)內(nèi)層。消融熱保護(hù)是有效的、可靠、自適應(yīng)、重量輕、工藝簡單、搬運和儲存方便等，并被廣泛使用。中遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈彈頭、返回式衛(wèi)星、宇宙飛船、燒蝕防熱用于登月飛行的返回艙和航天飛機(jī)的機(jī)頭和翼尾前緣。經(jīng)過幾十年的研究試驗和實際應(yīng)用，針對飛機(jī)的不同用途或飛機(jī)的不同部件，開發(fā)了多種燒蝕材料。燒蝕熱防護(hù)是目前高超聲速飛行器熱防護(hù)中最成功的方法。燒蝕防熱的主要缺點是一次性使用和燒蝕引起的空氣動力學(xué)形狀變化。后者會影響再入航天器的穩(wěn)定性、著陸精度和再入機(jī)動飛行，以及巡航飛機(jī)的升力阻力、穩(wěn)定性和操縱性。

據(jù)飛行國際2022年4月7日報道，美國國防高級研究計劃局高超音速吸氣式武器(HAWC)該項目完成了第二次飛行測試。