Ramjets的工作原理

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NASA工程师劳拉·奥康纳(Laura O'Connor)在弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心(Langley Research Center)检查了一款超音速撞击(Scramjet)发动机模型。
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正如任何肚子脱落的人都可以告诉您,当您击中液体而不给它时间避开液体时,它往往会击退。潜水员通过采取更简化的暴跌来击败物理,并通过采用更多空气动力学形状来更快的汽车和飞机来击败物理。但是有一个点,在声音障碍附近,精简的是不够的 - 使您的飞机高空保持空气的速度开始用看似无法克服的阻力,牙齿刺激的湍流和残酷的冲击波来打动您。的确,许多人认为这种声音障碍是坚不可摧的,直到1947年10月14日查克·耶格(Chuck Yeager)'火箭- 能力的贝尔X-1证明了他们错了。

但是,如果您可以将所有堆积的空气转向您的优势,该怎么办?如果您可以将其包装到特殊形状的管子中,而是用爆炸泵送它并以超音速速度发射喷嘴,那么它可以将其包装到特殊形状的管中,而不是用螺旋桨燃烧,而不是用螺旋桨燃烧它,该怎么办,该怎么办?您将有一种非常特殊的类型喷气发动机,一个“飞罐”适合于每小时数千英里的天空切片。你会有一个拉米吉特

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但是,拉米吉特的明显简单性具有欺骗性。它需要最先进的航空工程,现代材料和精确制造才能实现一项,这部分解释了为什么一个想法几乎像电动飞行一样古老,然后反复撤离并抛弃了数十年,然后才在冷战期间取得有限的成功。

与主要速度竞争不同的是,火箭使用硝酸铵,氯酸钾或氯酸铵,Ramjets呼吸空气来燃烧燃料。因此,尽管火箭可以在近乎空间的真空中运行,但Ramjets必须飞过大气。他们也必须以非常高的速度这样做 - 大约2.5-3.0马赫,或声音速度的三倍 - 因为Ramjets通过利用公羊压力,飞机高速带来的天然空气压缩。换句话说,Ramjets使曾经反对高速飞行的非常冲击波和压缩力的盟友。他们从字面上掌握了流量[来源:英国百科全书;NASA]。

长期距离比火箭弹更高效,但遭受了严重的劣势:它们在低速下无用。因此,他们依靠增强火箭或其他车辆来使其加快。独立的Ramjet飞机通常使用混合动力发动机[来源:NASA]。

如果这种解释以超音速速度飞越了您,那可能是因为我们跳过了很多很酷而有趣的东西。让我们看一下喷气发动机如何开发出来的现代奇迹。

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爆炸和到达

带有高速相机胶片的摄影师在克利夫兰的刘易斯飞行推进实验室中撞击了Ramjet I-40发动机的推力增强器火焰。(后来实验室被称为约翰·格伦研究中心。)“width=
带有高速相机胶片的摄影师在克利夫兰的刘易斯飞行推进实验室中撞击了Ramjet I-40发动机的推力增强器火焰。(后来实验室被称为约翰·格伦研究中心。)
©Corbis

喷气机在受控爆炸上运行。这听起来很奇怪,直到您意识到大多数汽车发动机也要:拉动空气,压缩它,将其与燃料混合,点燃并爆炸!你推了一个活塞。但是,尽管汽油和柴油发动机涉及周期性或间歇性燃烧,喷气机需要连续燃烧,其中燃料和空气混合和燃烧不间断。无论哪种方式,燃烧更多的橡胶都意味着耗时更多的气体,这意味着吸入更多的氧气以使混合物正确。用增压器加油的汽车来做到这一点;在喷气发动机中,它更复杂[来源:英国百科全书]。

第二次世界大战结束后,第一架行动飞机使用涡轮喷射引擎,基于布雷顿(或者焦耳循环:当飞机飞行时,空气通过摄入量流入扩散器,一个放慢气流并抑制冲击波的腔室。然后,它通过一系列刀片:旋转转子,这迫使空气向后和静止代理,哪个引导气流。它们一起充当压缩机,在喷气机燃烧室内泵送压力。在那里,燃料与加压空气和点火混合,将温度爆破到1800-2800 F(980-1540 C)或更高的范围[来源:英国百科全书;克鲁格;斯帕科夫斯基]。

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压力随温度升高,因此这种爆炸产生了很多力量,除了寻求快速退出外无事可做。当排气通过后喷嘴射击时,它会产生推力以移动飞机。在通往此喷嘴的途中,排气还通过扭矩轴连接到转子的涡轮机。随着涡轮机的旋转,它会将能量转移到前面的压缩机叶片,从而完成周期。

在飞机上涡轮螺旋桨飞机或者直升机涡轮流发动机,涡轮机还通过一系列齿轮将电源传递到螺旋桨或直升机转子。

涡轮喷气机具有很大的力量,但在低速上挣扎。因此,在1960年代和1970年代,低苏珀飞机开始趋向于涡轮扇大多数私人喷气机和商业客机仍然使用。涡轮扇形是发动机的杂种 - 本质上是一辆涡轮喷射,包裹在一个较大的卷奶上,前面有一个大风扇。风扇拉出更多的空气,然后发动机将其分成两条流:一些空气通过嵌套的涡轮喷气式移动,而其余的则流过周围的空白空间。当重定向较冷的空气与涡轮喷气机的排气混合并减速时,两条流团聚,形成更大,较慢的推力流,在低速下更有效[来源:英国百科全书;克鲁格]。

同时,大约在Turbofans自己进入时,对Ramjet飞机的研究终于迈出了大步。这是一条漫长的道路。

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拉米吉特,在他们的时间之前?

谁说你必须走之前,你永远都不会遇到法国人雷内·洛林(RenéLorin)。早在1913年,飞行员仍在驾驶荣耀的木制风筝时,他就会看到冲击压力推进的可能性。他意识到该设计以亚音速速度的无用,而是设计了一个由Ramjet辅助的飞行炸弹。法国军队挥舞着他。匈牙利工程师阿尔伯特·富诺(Albert Fono)是另一位拉梅吉特先驱者,在1915年提出了类似的想法,并获得了奥匈帝国军队的可比接待[消息来源:gyorgy;heiser和Pratt;沃尔科]。

Ramjets Designs在世界大战之间享有简短的时尚。苏联工程师在基于火箭的Ramjets(请参阅下一节)中取得了早期的进步,但兴趣在1940年之前烧毁了。德国占领中断了法国工程师RenéLeduc的早期工作,但他的坚持不懈和保密性在1949年4月21日获得了回报010型号制造了其首次发动机飞机的飞机。在langudoc 161客机上载着高空,飞行12分钟,达到450英里 /小时(724 kph)的一半功率[来源:siddiqi;病房;沃尔科;是的。]。

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而且,有一段时间。尽管莱克(Leduc)取得了成功,但缺乏资金终止了1957年对他的研究的官方支持[资料来源:siddiqi;病房沃尔科;是的,]。Ramjet开始看起来像没有应用程序的发明。同时,第二次世界大战是否迎来了第一代作战涡轮喷气机:英国的Gloster流星,德国Messerschmitt ME 262和美国洛克希德F-80射击星[资料来源:英国百科全书;英国百科全书;英国百科全书;美国空军国家博物馆;货车佩尔特]。

随着战争结束并加剧了冷战,很明显,涡轮喷气机和涡轮增压剂比Ramjets更实用的亚音速和低苏普森式解决方案。此后,大多数美国和苏联在Ramjets的工作都致力于建造洲际导弹。1950年,美国工程师威廉·H·艾弗里(William H.子孙后代将完善和简化设计,引入混合动力拉股能够达到高超音速速度(3-5马赫)(请参阅下一节)[来源:霍夫曼;科西亚科夫;病房]。

尽管诸如Hiller Xhoe-1大黄蜂直升机之类的令人着迷的设计,但拟议的共和国XF-103轰炸机Interceptor和短暂的洛克希德D-21B无人侦察无人机,直到1964年首次亮相的Ramjet飞机,直到1964年首次亮相洛克希德SR-71黑鸟。直到1989年退休的人载人飞机最快的飞机也使用了混合动力发动机,有时也称为ATurboramjet[来源:美国空军国家博物馆;史密森尼人;病房]。

我们将在下一部分中潜入SR-71和其他Ramjet混合动力车和子类型。

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Ramjets:模拟马赫

洛克希德SR-71A黑鸟侦察飞机准备飞行。黑鸟停在史蒂文·乌德瓦尔·哈兹中心(Steven F. Udvar-Hazy Center)曾经在一小时,四分20秒内从洛杉矶飞往华盛顿特区。“width=
洛克希德SR-71A黑鸟侦察飞机准备飞行。黑鸟停在史蒂文·乌德瓦尔·哈兹中心(Steven F. Udvar-Hazy Center)曾经在一小时,四分20秒内从洛杉矶飞往华盛顿特区。
©George Hall/Corbis

如果Ramjets如此贴心,那为什么要打扰呢?好吧,在2.5马赫以上产生的压力和温度下,大多数喷气发动机变得非常不切实际,而且毫无意义。即使您可以进行一项工作,这样做也将结合在飓风中运行风车的危险,以及将波浪机拖到瓦胡岛北岸的毫无意义。

Ramjets采用其他喷气机的基本原理,并将其曲柄提高到11个,而没有主要的活动部件。空气以超音速速度进入撞线的扩散器,并用冲击波攻击它,有助于增加RAM压力。摄入量中的钻石形中心身体进一步挤压空气并将其减速到亚音速速度,以更有效地与燃料和燃烧混合。燃烧发生在类似于巨型加力燃料的开放式室中,在该燃料中注入液体燃料或从腔室的侧面消融固体燃料[来源:Ashgriz;英国百科全书;SPG;病房]。

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Ramjets的速度限制逐渐启发了混合动力发动机,这些发动机可能以较低的速度飞行并加速到超音速速度。最著名的例子是SR-71 Blackbird,使用了一种涡轮喷射式杂交混合物,称为适当,一个Turboramjet。这样的发动机像燃烧的涡轮机一样工作,直到远至1支马赫,之后,导管绕过涡轮喷气机并将冲击压缩的气流重定向到燃烧器中,使发动机的行为像撞线[来源:来源:病房]。

导弹同时,设计逐渐消除了助推器,通过将其移入挡板本身中,创建拉股,又名整体火箭杆。在火箭加速期间,插头会暂时密封挡板的进气口和燃油喷射器。一旦火箭花了,冲压机就可以加快速度,这些空的火箭充当燃烧室[来源:病房]。

展望未来,将马赫5线越过高超音速速度可能需要scramjets(超音速燃烧ramjets)。与其他Ramjets不同,Scramjets无需在其燃烧室中的亚音速速度降低空气。在加压空气射出排气之前,要在0.001秒内启动点火和扩展具体的冲动(每单位推进剂的动量变化),在各种燃料/空气比率上点燃,并在燃烧时释放出大​​量的能量[来源:鲍尔;英国百科全书;NASA]。

在过去的几十年之前,Scramjets仍然是理论上的,而且工作仍然是实验性的。2004年11月,NASA的八年,2.3亿美元的Hyper-X计划产生了一款SCRAMJET,在其最后航班上达到9.6马赫。一些分析人士认为,这项技术可以达到15-24马赫,但是以超音速速度的航空旅行意味着与最快的超音速飞船所面临的力量不同。简而言之,我们还有很长的路要走从纽约通勤到12分钟内到洛杉矶[来源:鲍尔;达帕;弗莱彻;NASA]。

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更多信息

作者注:Ramjets如何工作

我经常被最初发明时未能找到应用程序的伟大创新故事所吸引。例如,在撰写本文时,我反复想起了激光,该激光曾经被称为解决问题的解决方案。

哦,几十年来有多么不同。

另一方面,有时怪异的发明使数百万美元。其他时候,我们出于一个目的发明东西,这些目的是实现无法预见的应用程序。在其众多贡献中,美国太空计划发明了肋泳衣永远改变尿布。如今,材料科学家正在发现我们尚未找到用途的特性。幸运的是,他们的票价要比洛林好。

相关文章

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