高超音速飛彈的推進系統(Propulsion System)

前文介紹「高超音速飛彈」的種類分為:「彈道飛彈」(ballistic missiles)、「巡弋飛彈」(cruise missiles)、「滑翔飛彈」(glide missiles)。上述三類型高超音速飛彈的推進系統主要分為:「火箭引擎」(rocket engine)與「吸氣式引擎」(air breathing engine前者自帶氧化劑、後者則是靠吸入空氣;兩者均是利用燃料與氧化劑(或加溫加壓後的空氣)進行燃燒、爆炸、噴射,產生向前的推進力(propulsion)。

 

從下圖可以看出,「吸氣式引擎」(air breathing engine)依照適用的飛行速度(馬赫數,Mach Number)可細分為:「噴射引擎」(jet engine)、「沖壓引擎」(Ramjet)、「超音速燃燒沖壓引擎」(Scramjet);只有「噴射引擎」(jet engine)與「火箭引擎」(rocket engine)是可以從M = 0起飛或發射;「沖壓引擎」(Ramjet)與「超音速燃燒沖壓引擎」(Scramjet)只能當載運飛行器飛行達到一定馬赫數後,再從空中發射。

來源:作者提供。

 

火箭引擎(Rocket Engine)

CASE在2022年3月8日刊出的「漫談太空旅行」(五)1一文中,其中有一節提到太空火箭家族 (參見下圖)。同文在阿提米斯(Artemis)使用的火箭那節也介紹了Starship 採用新研發的「猛禽引擎」(Raptor),這款火箭引擎的燃料是採用甲烷(CH4),氧化劑則是用低溫液態氧。關於火箭引擎的燃料(或稱推進劑,propellant)有使用液態燃料、固態燃料、或固態/液態混合燃料 – 即使是固態燃料,也有單一固態燃料、或多種固態燃料的混合推進劑。至於不同的液態燃料所使用的氧化劑也不一樣,除了低溫液態氧,也有使用「四氧化二氮」(N2O4)。

來源:英國國家廣播公司(BBC)公布的圖片1

 

火箭引擎使用液態燃料的「進料系統」(Engine Feed System)分類為:「壓力罐」(Pressure-fed)與「壓力泵」(Pump-fed)兩類 – 前者適用於推力較小的火箭引擎,後者則適用於推力較大的火箭引擎 (參見下圖)。如果對於火箭引擎有興趣的讀者,可以參考附註二。

來源:火箭引擎使用液態燃料的進料系統2

 

「吸氣式引擎」(Air Breathing Engine)

CASE在2022年5月17日刊出的「波音787夢幻客機的引擎」(GEnX)3一文中,其中有一節提到噴射引擎 (Jet Engine)。

來源:波音公布GEnX引擎的剖面圖3

 

上圖所示的這款GEnX引擎屬於「吸氣式引擎」(air breathing engine)中的「渦輪噴射引擎」(Turbojet)– 為了省油的考量,波音787客機是以「亞音速」(subsonic)速度飛行。超音速飛行器所使用的「吸氣式引擎」又稱之為「沖壓引擎」(Ramjet);高超音速飛行器所使用的「吸氣式引擎」則稱之為「超音速燃燒沖壓引擎」(Supersonic Combustion Ramjet, Scramjet)。如果對於Ramjet及Scramjet引擎有興趣的讀者,可以參考附註四。

噴射引擎中壓縮器及渦輪的主要用途是將吸入的空氣,在進入燃燒室前增溫加壓 – 試想如果可以用其他方式增溫加壓,那麼不就可以省去笨重的壓縮器和渦輪了嗎。空氣動力學談到氣流,在超音速情況下因界面容易產生震波,一般在航空氣動力應用上,「震波」(Shock)是很頭痛的問題,因為它擾亂氣流並增加阻力,但是它的缺點在沖壓引擎應用上反而成為優點,因為氣流在通過震波會得到增溫加壓的效果。

簡單的說,「沖壓引擎」(Ramjet)與「渦輪噴射引擎」(Turbojet)的主要分別在於:前者適用於「超音速」飛行速度(3 < M < 6),沒有使用「渦輪」(turbine)將吸入的空氣增壓;後者則適用於馬赫數3以下的飛行,使用「渦輪」(turbine)將吸入的空氣加壓增溫,然後再燃燒、爆炸、噴射。一般火箭由於需要自帶氧化劑,其重量往往超過燃料,然而沖壓引擎的氧氣則取自大氣,飛彈可以容載的燃料自然增加,射程也會大大增加。

高超音速飛彈(6 < M < ?)需要使用的則是「超音速燃燒沖壓引擎」(Scramjet Engine)。因為Scramjet是由Ramjet所衍生發展出來的引擎,所以在介紹Scramjet Engine前,我們以下面的示意圖,先簡單介紹Ramjet Engine。

來源:「沖壓引擎」(Ramjet)示意圖4

 

Ramjet Engine的組成部分為:「進氣道」(Inlet)、「亞音速燃燒室」(Subsonic Combustor)、「噴嘴」(Nozzle)– 主要是靠「進氣道」內外的「斜震波」(Oblique Shocks)及「正震波」(Normal Shock)將吸入的超音速空氣減速至亞音速並增溫加壓、混合燃料、燃燒爆炸;它沒有渦輪(Turbine)與齒輪(Gear)這些部件來為空氣增壓。

進氣道是一特有曲線的「圓錐體」,由inner body和引擎罩形成;基本上,進氣道是由寬逐漸變窄。首先超音速氣流接觸到inner body最前端的尖點後會形成外斜震波,理想的外斜震波的斜度剛好讓波型接觸到進氣道的外殼前緣。超音速氣流接著進入進氣道,並在氣道裏反覆產生斜震波,最後在進氣道最窄處產生正震波,氣流因而降低成亞音速,並繼續在「擴散器」(Diffuser)降速增壓。

來源:「超音速燃燒沖壓引擎」(Scramjet Engine)示意圖4

 

上述提到Ramjet適合3 < M < 6 飛行條件,其設計在大於6馬赫時,由於氣流溫度過高,燃燒效率會降低;如果在進入燃燒室前,不需要減速至亞音速;換言之,能夠在超音速情況下進行燃燒爆炸的Ramjet,就是Scramjet的設計原理。

Scramjet Engine的組成部分為:「進氣道」(Inlet)、「隔離器」(Isolator)、「燃燒室」(Combustor)、「噴嘴」(Nozzle)– Scramjet靠「進氣道」及「隔離器」內外的「斜震波」(Oblique Shocks)將吸入的高超音速空氣減速至超音速並增壓、混合燃料、燃燒爆炸;它同樣沒有渦輪(Turbine)與齒輪(Gear)這些部件來為空氣增壓。

從上面兩個示意圖,讀者可能會感覺Ramjet及Scramjet 的引擎設計相對簡單,好像沒有Turbojet引擎複雜。其實在超音速或高超音速飛行速度下,單是在燃燒室內點燃加溫/加壓/混合燃料的氣體,就是一件非常不容易做到的事 – 舉個例子說明:在有風的環境下,以打火機點燃一根香菸就非常困難,更遑論在亞音速或超音速的風速下去點燃一根香菸。至於什麼樣的「進氣道」與「隔離器」設計,才能夠產生合適地點與強度的「斜震波」(Oblique Shocks)及「正震波」(Normal Shock)就更是難上加難。由於沖壓引擎飛彈限制在大氣中飛行,其全程都會遭遇空氣阻力,所以彈體的設計就更加嚴峻。

我們會繼續為讀者介紹美蘇中三國的高超音速飛彈的現況,以及飛彈與防空飛彈之間的博弈。

 

 

附註一、CASE在2022年3月8日刊出的「漫談太空旅行」(五)

https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39413  

 

附註二、”Advanced Rocket Engine, “ by Oskar J. Haidn, Advances on Propulsion Technology for High-Speed Aircraft(pp. 6-1 – 6-40), 12 February 2015.

http://www.rto.nato.int.

 

附註三、CASE在2022年5月17日刊出的「波音787夢幻客機的引擎」(GEnX)

https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39913    

 

附註四、”Study of An Air-Breathing Engine for Hypersonic Flight, “ by Marta Marimon Mateu; September 2013

https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/20295/Technical%20Report.pdf


作者:

王志强 博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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