具体描述
Includes Scramjet Propulsion, Developments in High-Speed-Vehicle Propulsion Systems, and High-Speed Flight Propulsion Systems.
探索超越音速的未来：先进推进技术与应用综述 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，探讨当前和未来航空航天领域中，驱动飞行器突破传统速度限制的关键技术——超燃冲压发动机（Scramjet）及相关的高超音速推进系统。本书并非聚焦于任何特定的出版物或已有的资料集，而是系统梳理了该领域的基础理论、工程挑战、实验进展以及未来发展方向。 第一部分：高超音速飞行的基础与挑战 高超音速（通常指马赫数5以上）飞行，是人类航空航天技术皇冠上的明珠。它代表着进入大气层内快速、高效、全球范围运输的潜力。然而，实现稳定的高超音速飞行面临着一系列极其复杂的物理和工程难题。 第一章：空气动力学基础与激波现象 本章详细解析了高超音速流动的核心特征。当飞行器以极高速度穿越大气层时，气流行为不再遵循传统的亚音速或超音速规律。重点讨论了激波（Shock Waves）的形成、结构及其对周围气流的剧烈影响。激波的产生导致了气流的急剧压缩、温度和压力瞬间升高，这对飞行器结构材料和发动机内部的稳定运行构成了严峻考验。我们探讨了如何利用计算流体力学（CFD）模型来精确预测和管理这些非线性效应。 第二章：热管理与材料科学的极限 在马赫数5以上的速度下，气动加热效应变得极端显著。空气分子与飞行器表面剧烈摩擦和压缩，使得表面温度可能轻易超过2000摄氏度。本章深入分析了热防护系统的发展历程，从传统的烧蚀材料到先进的主动冷却系统，如再生冷却（Regenerative Cooling）。材料科学在此领域扮演着决定性角色，我们审视了镍基高温合金、陶瓷基复合材料（CMCs）以及碳-碳复合材料在极端热负荷下的性能表现、蠕变特性和寿命预测。 第三章：高超音速飞行的推进概念 本章对比分析了当前主流的高超音速推进方案。传统火箭虽然能达到极高速度，但在大气层内重复使用和效率方面存在局限。脉冲爆震发动机（PDE）虽然极具潜力，但控制难度极大。重点阐述了组合循环发动机（Combined Cycle Engines），如涡轮基组合循环（TBCC）和冲压/超燃冲压组合系统，它们旨在覆盖从零速度到高超音速的全速度范围，是实现实用化高超音速运输的关键所在。 第二部分：超燃冲压发动机（Scramjet）原理与设计 超燃冲压发动机（Supersonic Combustion Ramjet, Scramjet）是目前实现高超音速巡航最被看好的技术路径。其核心在于“超燃”二字——燃烧过程发生在超音速气流中。 第四章：Scramjet 的工作原理 与依靠激波压缩空气的冲压发动机不同，Scramjet 通过巧妙的几何设计，允许部分空气在超音速状态下进入燃烧室。本章详细剖析了发动机的三个关键模块：进气道（Inlet）、燃烧室（Combustor）和喷管（Nozzle）。进气道的设计必须在高速气流的冲击下，精确地减速到亚音速（或维持在略高于音速的状态），同时保持高压，并避免发动机熄火。 第五章：超音速燃烧的物理化学挑战 超燃冲压发动机的真正瓶颈在于如何使燃料在极短的时间内（通常只有几毫秒）与超音速气流充分混合并稳定燃烧。燃料必须在高热流、高剪切力的环境下快速蒸发、反应。本章探讨了燃料选择（如液态氢、碳氢燃料）对燃烧稳定性的影响，并详细分析了火焰保持机制（Flame Holding）的技术，包括利用扩张波、激波反射面或微型涡流来延长驻留时间和提高混合效率。 第六章：喷管设计与推力优化 发动机的喷管负责将燃烧产生的高温高压气体膨胀加速，产生推力。在高超音速条件下，喷管设计必须高度集成化，通常采用二维扩张喷管或三维流场设计以适应高空低压环境。本章讨论了如何利用CFD工具优化喷管轮廓，以在不同飞行马赫数下实现最大的推力系数和推力矢量控制。 第三部分：试验、模拟与未来展望 实现高超音速飞行，离不开尖端的实验验证和精确的数值模拟。 第七章：地面测试设施与数据采集 地面测试是验证高超音速设计不可或缺的一环。本章介绍了世界领先的高超音速风洞，包括利用激波风洞（Shock Tunnels）和等焓激波风洞（Isenthalpic Shock Tunnels）来模拟瞬态或准稳态的高超音速环境。同时，详细阐述了在极端环境下对发动机内部流动、燃烧效率和热流密度进行诊断的先进测量技术，如激光诱导击穿光谱（LIBS）和高频压力传感器阵列的应用。 第八章：数值模拟与人工智能辅助设计 计算能力的飞速发展使得高保真度的数值模拟成为现实。本章聚焦于湍流模型（如LES和DNS）在模拟超燃燃烧复杂性中的应用。同时，探讨了如何利用数据驱动的方法和机器学习来加速设计迭代过程，例如，快速预测不同进气道几何形状对总压恢复系数的影响，从而优化设计参数。 第九章：高超音速技术的应用前景 高超音速技术的成熟将彻底改变全球交通和国防格局。本章展望了其在快速全球打击（Rapid Global Strike）、点对点洲际运输（Point-to-Point Travel）以及进入太空的新途径（Single-Stage-To-Orbit, SSTO）中的应用潜力。最后，探讨了未来可能的技术突破，例如吸气式火箭（Air-breathing Rocket）和更高效率的燃料循环，以期实现马赫数10以上的持续飞行。 本书以严谨的科学态度和前沿的技术视角，为研究人员、工程师和对航空航天领域有浓厚兴趣的读者，提供了理解和参与高超音速推进技术革命的必要知识框架。
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