
每架超音速飛機,從 Bell X-1 到 F-35 Lightning II 閃電 II,推進都遵循牛頓第三運動定律:每個作用力都有大小相等、方向相反的反作用力。推進系統把氣體向後加速,飛機便獲得向前推力。概念簡單,工程實現卻極為複雜。
四類吸氣式噴射發動機
1. 渦輪噴射發動機
這是最早的噴射發動機型式。空氣進入進氣口,由旋轉葉片壓縮,與燃油混合並在燃燒室點火。高溫氣體再通過帶動壓縮器的渦輪,最後由尾噴嘴向後噴出。
優點:結構相對簡單,高速性能優良。
缺點:耗油量高,噪音很大。
使用機型:早期戰鬥機 MiG-21、F-104,以及採 Olympus 593 的 Concorde 協和式。
2. 渦輪扇發動機
這是現代常見型式。渦輪扇在前端加入大型風扇,把大量空氣送往核心機外側,也就是旁通氣流。尤其在高旁通比設計中,這股氣流提供大部分推力,同時降低噪音與油耗。
低旁通比渦輪扇(旁通比約 0.3–1.0)用於軍用戰鬥機,在效率與高速性能間取得折衷。例如 F-22 的 Pratt & Whitney F119,以及超級大黃蜂的 General Electric F414。
高旁通比渦輪扇(旁通比 5–12 以上)用於客機,追求次音速飛行的燃油效率。例如 737 MAX 的 CFM LEAP,以及 787 的 Rolls-Royce Trent。
3. 衝壓發動機
高速飛行時,前進速度本身就能使進氣受壓,不需要旋轉式壓縮器。衝壓發動機的基本流道沒有旋轉機械部件:空氣被壓入、加入燃油並燃燒,再由後方噴出。
限制:它無法從靜止狀態自行提供起步推力。原文以約 Mach 2 以上作為可用速度的概略例子,因此衝壓飛彈常先由飛機投放,或由火箭加速。
使用例子:SR-71 Blackbird 黑鳥的 J58,被原文描述為渦輪噴射與衝壓混合系統;另一例是 BrahMos 飛彈。
4. 超燃衝壓發動機
這是吸氣式推進的前沿領域。一般衝壓發動機會在燃燒前,把進氣減速至次音速;超燃衝壓發動機則讓燃燒室內氣流仍維持超音速。
這項技術非常困難,常被比喻為「在颶風中點燃火柴」。但理論上,超燃衝壓可在 Mach 5 至 Mach 15 以上的範圍工作,超出傳統吸氣式發動機的典型能力。
使用例子:NASA X-43A(Mach 9.68,最快的吸氣式飛行載具紀錄)與 Boeing X-51 Waverider(Mach 5.1)。
後燃器:直接增加推力
後燃器在渦輪後方,向排氣流直接噴入更多燃油。燃油在高溫氣體中燃燒,能使推力大幅增加,原文概估為 40–70%,代價是大量油耗。戰鬥機全後燃時的藍橘色火焰,就是這段額外燃燒的結果。
下一步是什麼?
未來噴射推進的研究方向包括:
- 可變循環發動機:GE XA100 與 Pratt & Whitney XA101 可在飛行中調整氣流與循環,使巡航時兼顧渦輪扇效率,高速衝刺時提供更大推力。
- 旋轉爆震發動機:以持續傳播的爆震波取代傳統穩定燃燒,追求更高效率。
- 複合循環發動機:整合不同推進方式,例如渦輪噴射、衝壓及超燃衝壓,涵蓋靜止到 Mach 5 以上。原文並列 Reaction Engines 為 Skylon 太空飛機提出的 SABRE 作為複合推進例子;其實際循環類型應另行區分。
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參考資料
- Fry, R. S.(2004)。〈衝壓推進技術百年演進〉(A Century of Ramjet Propulsion Technology Evolution)。Journal of Propulsion and Power,20(1),27–58。DOI:10.2514/1.9178
- Curran, E. T.(2001)。〈超燃衝壓發動機:最初四十年〉(Scramjet Engines: The First Forty Years)。Journal of Propulsion and Power,17(6),1138–1148。DOI:10.2514/2.5875
- Mattingly, J. D.(2006)。〈推進原理:燃氣渦輪與火箭〉(Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets)。AIAA Education Series。DOI:10.2514/4.861789