作者：张传华 超燃冲压发动机技术，被美国确定为未来将改变战争形态的重点技术之一，能够搭上超燃冲压发动机发展的快车道甚至关乎我国国运。而国防科大则完成了这一历史性突破。
一、冲压发动机原理
航空发动机目前主要分为涡轮风扇发动机、涡喷发动机、螺旋桨发动机等，但这些发动机都普遍无法达到较高的飞行速度，最快只能飞到2马赫左右。原因是这些飞机都是利用涡轮/风扇旋转带动气流反推，当涡轮（用于压气机）/风扇转速到一定程度后，强大的离心力将导致其结构断裂，无法继续，但这种发动机在低速时性能相当好。
在思考怎样将发动机继续提速时，科学家们发现，当空气速度达到2马赫以上时，如果取消发动力内部的风扇涡轮等设备，让气流直接进入发动机。然后通过调整发动机的构造（一般是缩小发动机的直径），发动机内部气流的压强就会自动上升，节省了压气机压气环节。一般只要空气降到音速之下就可以进入燃烧室和燃料混合点燃使用了，点燃后的空气压力由喷口喷出，产生强大的反推力，推动飞机或者导弹向前飞机，这就是所谓的冲压发动机原理。
涡喷、冲压和超燃冲压发动机原理图，从左至右其结构依次为进气道、燃烧室、喷口，从上往下进气道的进气速度逐渐增加，涡轮结构被取消，因此发动机结构也变得简单，推力也越来越大，但点火变得越来越困难。
二、超燃冲压发动机
然而人类对速度的追求是疯狂的。对更快的发动机需求之后，科学家们很快发现，当速度超越4马赫后，燃烧室内进入的气流速度迅速升高，变为超音速，此时发动机便会出现很多问题导致速度无法继续提升甚至熄火，让气流在超音速下点燃产生稳定的推力，这就是超燃冲压发动机技术。其中4-6马赫叫做亚燃冲压发动机，6 马赫以上叫超燃冲压发动机技术，要实现这一关键技术其中最重要的问题包括进气道技术，燃烧室技术和材料技术。
美军的SR-71黑鸟战略侦察机，它巧妙地将一个涡喷发动机装在冲压发动机内，在低速时涡喷发动机工作，高速时冲压发动机工作，使得其最大速度达到了3.35马赫，但再往上加速就比较困难了
进气道技术要解决的主要问题是要求高超声速进气道能够让发动机可以持续稳定的进气出气，且维持稳定的压力，否则发动机就会变得不可控制甚至突然熄火。此外因为空气流动时在和发动机交界处流速恒定为0，这就会产生一个阻力，这个交界层叫做附面层，高超音速时，这一阻力效应非常大，要解决这些问题都需要对进气道进行精密设计，研究其三维压缩效应，附面层效应等。
超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器飞行时的温度分布图，可以看到其承受了极高的温度，有些表面甚至超过1000度，这给飞机材料带来了极大的考验。
燃烧室主要是燃料和气流混合的场所，要解决的关键问题是在有限的空间(米级)、时间(毫秒级)内和在高速气流(通常是超声速气流)中,实现燃料的喷射、雾化、蒸发、掺混、点火、稳定燃烧,将化学能最大限度地转化为热能,有高的热效率和较小的压力损失，但因为发动机总要逐渐增速。而在不同的速度下，气流在燃烧室内的速度不同，对于点火等技术的要求也不同，而简单的串联不同的发动机不但增大重量而且并不真的有用，因此在一个发动机内同时实现多种模式燃烧就显得非常关键。一般有两种方法，一是通过精密的计算机调整燃烧位置、燃烧强度(燃烧控制)，另一种则是调整燃烧室几何面积，这两种方式都非常难，需要大量的计算和实验。
燃料技术要解决的问题原理很简单，在高超音速气流中点燃燃料且让其稳定燃烧一会儿，这就好比人在12级大风里点燃一根火柴还要让其稳定燃烧一样难，自然普遍航空煤油无法担任这一重任。经过试验，碳氢燃料可以承担这一重任。特别是吸热碳氢燃料作为冷却剂,吸收了发动机部件的热量,同时通过催化、裂解、发生相变形成气态煤油、小分子碳氢燃料(如甲烷、乙烯等)和氢的混合物进入燃烧室。一方面燃料通过相变和裂解能够吸收大量的热量,满足了燃烧室等壁面的冷却要求,另一方面大大改善了液体燃料雾化、掺混性能以及燃烧性能。
三、各国竞相追逐
各国为了突破实现超燃冲压发动机技术，早在上世纪就开始了研发的脚步，1991年11月27日，苏联首先取得突破，其“冷(Kholod)”飞行器 (Hypersonic Flying Laboratory, HFL)首次飞行试验取得成功，实现了超燃冲压发动机的正推力，最大飞行速度达到5.6 Ma，发动机工作时间达到27.5 s，飞行高度35 km。
后来的俄罗斯也研制出了自己的超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器GLL-AP-02，最大速度为6马赫。
美国于1996年开始了这一方面的Hyper-X计划，其目前已经试飞的X-43A，使用氢燃料超燃冲压发动机，2004年11月16日取得飞行试验成功，发动机持续工作10~12 s，最大速度为9.8马赫。
上图为美国NASA研制的高超音速飞行器X-43A，最高速度达9.7马赫，但因为无法解决燃料持久问题，因此试飞了三次均只持续了10秒以下就耗尽燃料，最终被NASA放弃。
而后美国又研制了X-51A，由B-52投掷发射。2013年5月1日，X-51A第四次飞行试验取得成功，最大速度达到5.1马赫，飞行高度18.3 km，超燃冲压发动机工作时间达到210秒，飞行距离426 km，创造了高超声速飞行器的飞行距离纪录。
上图为美军的X-51A“乘波者”高超音速飞行器，其使用三级推进的方式，先由B-52加速到高亚音速，而后火箭发动机启动推进到超音速，最后启动超燃冲压发动机，该机型目前共试飞三次，均告失败。
我国的在上世纪90年代开始了超燃冲压发动机真正的研制工作，并由航天三院，国防科大等多家单位负责，最终国防科大王振国团队领先一步取得突破，在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面进行了开拓性研究，实现了技术水平的跨越。并获国家技术发明二等奖，相信不久之后，我国的超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器就将上天翱翔。
|
