衝壓發動機的難度就像在龍捲風中點燃一根火柴？

航空發動機分很多很多種，而目前，有一種發動機，它難度最大，誘惑最大以至於各航空大國競相追逐，它就是衝壓發動機。這種發動機跟別的發動機相比，優點在哪裡？困難又何在？

衝壓發動機的原理

現在的戰機，大都是使用渦扇發動機，它的原理軍迷們都很熟悉。

渦扇發動機基本原理圖

渦扇發動機的基本原理就是，通過前面的風扇和壓氣機壓縮空氣，然後在燃燒室裡面混入燃料燃燒以提供推力。客機或運輸機使用高涵道比的渦扇發動機，而低涵道比的渦扇發動機用在戰機上。

渦扇發動機是目前航空發動機的主流，然而人類的追求無止境，而渦扇發動機的性能現在基本上已是極限，想要再進步一點都變得很難很難，付出的代價巨大。

為此，各航空大國在把精力放在渦扇發動機上的同時，也在追求更有效率的發動機，可怎樣才能提高效率呢？

很簡單，咱們來看渦扇發動機，為了得到高壓的緻密空氣，發動機前端有風扇和壓氣機，要是把這兩個去掉後還能得到高壓的空氣，那效率肯定沒得說，如何實現？

用速度來實現！

不難理解，飛行器飛得越快，迎面而來的空氣就越快，當快到幾倍音速時，空氣自然就得到了壓縮。這樣的高壓空氣直接進入發動機的燃燒室，再混入燃油，劇烈燃料並向後高速噴出，就得到了動力。這就是衝壓發動機的原理。

衝壓發動機簡單原理圖

顯然，衝壓發動機直接去掉了渦扇發動機中的風扇和壓氣機，連同後面的渦輪也去掉了，這結構真是太完美了。它內部幾乎沒有活動的部分，高速氣流從前端進氣口進入發動機之後，利用發動機涵道截面積的變化，讓高速氣流降低速度，從而提高氣體壓力，接著壓縮過後的氣體進入燃燒室，與燃料混合之後燃燒，向後噴出從而提供推力。

看到這裡，不少人可能會納悶，為什麼要把高速氣流減速，氣流速度減少後，應該是壓力變小呀。

跟大家想的相反，根據伯努利原理，氣流速度越大壓力反而越小。比如下圖：

飛機的機翼，下方的氣流速度慢，壓強大，上方的壓強小，這產生一個壓力差從而托舉了飛機

由於內部少有活動組件，衝壓發動機與其他傳統的噴氣發動機比較起來，重量變輕，結構簡單，在幾倍超音速飛行時，它的效率很高，大幅壓過其他發動機。也正因此，它常用在各種導彈上。比如我國的 C301 岸艦導彈和前蘇聯的薩姆-6防空導彈，以及歐洲多國共同研製的「流星式主動雷達制導超視距作戰空對空導彈」等等。

我國的C301岸艦導彈

C301岸艦導彈發射時，固體助推器先點火，使導彈起飛、加速、爬高，當速度達到衝壓發動機啟動所需要的速度時，衝壓發動機點火，繼續向前飛行。

法國陣風戰機上的流星式空對空導彈

流星式空對空導彈

流星式空對空導彈由多國集團MBDA公司研發，性能卓越，能夠在高電子干擾環境下提供對遠距離空中目標的打擊能力。未來它將裝備英國皇家空軍、德國空軍、西班牙空軍、義大利空軍的颱風戰鬥機，以及英國和義大利裝備的F-35戰鬥機等。其裝配的衝壓發動機可讓它的速度超過4馬赫。

衝壓發動機的難點和弱點

雖然衝壓發動機在某些情況下效率很高，結構也很輕巧，然而，它的弱點也很突出。從上面對導彈的介紹可以看出，衝壓發動機需要達到一定速度後才能開啟。低速時，沒有了前方的高速氣流來壓縮空氣，衝壓發動機便會失效。這也是為什麼，美國的高超音速（也叫極音速）飛行器X-43A在飛行時，一般是把其綁在飛馬座火箭上，再由B-52同溫層堡壘式轟炸機運往高空釋放。

2001年6月2日進行的第一次試飛中，由「B-52同溫層堡壘式轟炸機」改裝而來的「NB-52B」母機將X-43A拋出瞬間，畫面中，X-43A身後的飛馬座火箭尚未點火。

前方的黑色部分為X-43A，而後方的白色部分為飛馬座火箭。

圖為地面機務人員在把X-43A安裝在飛馬座助推火箭上。

圖為2004年3月27日，X-43A試飛時，其身後的飛馬助推器點火加速瞬間。

圖為在X-43A飛行器的全尺寸模型正在進行高溫風洞的試驗。

X-43A總共進行了3次試飛，其在最後一次試飛中，X-43A在最後短暫的衝刺之後做出接近9.8馬赫（大約為1.12萬公里/小時）的超高速飛行，飛到離地表超過35公里高的高空。這次的飛行，也是NB-52B母機服務於NASA四十年後，最後一次擔任母機任務。

需要說明的是，X-43A使用的發動機是「超燃衝壓發動機」，這種發動機是「衝壓發動機」的升級版。兩者的區別是，超音速氣流進入衝壓發動機時，在進入燃燒室之前，需要經過適當的導流減速到次音速，也就是說，衝壓發動機燃燒室裡面的氣流是亞音速狀態。而超燃衝壓發動機的進氣可以一直保持在超音速狀態，因此可達到更高的飛行速度。在難度上，超燃衝壓發動機顯然高於衝壓發動機。

上圖中的（a）代表傳統的渦輪噴氣發動機，可以看到，它的結構很複雜；而（b）代表衝壓發動機；（c）表示超燃衝壓發動機。

說了衝壓發動機的弱點，咱們再來看看它的難點。它的難點很多，而一個很容易被大家想像的難點是：如何實現穩定的燃燒？

衝壓發動機還好一些，畢竟燃燒室內是在亞音速狀態，而超燃衝壓發動機就難了，燃燒室內的氣流是超音速，這帶來一個問題，氣流在燃燒室停留的時間非常短，僅為毫秒級，在這種情況下，要想成功點火併實現穩定的燃燒，難度真的很大，以至於有人比這種難度比喻為「在龍捲風中點燃一根火柴」。

並非不可克服

說了衝壓發動機的弱點和難點，看似難以解決，其實不盡然。在如何實現成功點火和持續穩定燃燒上，技術一直在進步，總有一天，它會走向成熟。而衝壓發動機的弱點，即需要很高的速度下才能啟動，看似難以解決，其實早有先例。這就是黑鳥SR-71偵察機的發動機J-58。

黑鳥上的發動機J-58。

J-58可以歸類到混合噴氣發動機，本質上就是一具衝壓發動機和一具渦輪噴氣發動機的結合體。當黑鳥達到一定速度時，其衝壓發動機開始工作，最終把黑鳥推向3馬赫以上的高速。

黑鳥飛機的設計者凱利·約翰遜有一次向普惠公司的朋友開玩笑說，發動機只提供了飛行所需推力的17%，而我們自己的進氣道和噴管提供了餘下的部分。

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