中國高調宣布研發出4.5倍音速發動機，這麼先進要用在何處？

根據光明日報的公開報道，我國目前已經成功研製出4.5倍音速的新型衝壓發動機，而上一代產品則在3倍音速左右。圍繞這個新聞，可以挖據出三個很有意思的問題：第一，衝壓發動機有什麼意義？第二，衝壓發動機難點何在？第三，新聞中的發動機具體將會用在哪裡？

資料圖：衝壓發動機的最基本結構原理真的就是這麼簡單

資料圖：羅爾斯·羅伊斯早年的「雷神」衝壓發動機

第一個問題，衝壓發動機是各類飛行器（包括飛機、導彈等），在大氣層以內、進行高速飛行任務時最為經濟的動力。傳統的超音速飛機採用的吸氣推進發動機，比如渦輪噴氣發動機和渦輪噴氣風扇發動機，在高速下阻力會變得越來越大而推力變得越來越小，很難做到3倍音速以上。

資料圖：單純的渦噴/渦扇發動機都不適合3倍音速以上的高速飛行

而不用從外界吸收空氣的火箭發動機，它的工作狀態雖然不受飛行速度影響，但是由於要自帶氧化劑，同樣噸位和尺寸限制下採用火箭動力的飛行器要少帶一半的燃料；換句話說飛機的航程、導彈的射程都直接要打對摺不止。而且現代火箭發動機多採用高能固體燃料（其實就是嚴格控制燃燒速度的高能炸藥），葯柱尺寸越大，對於材料和工藝控制的要求越高，產品合格率越低，隨著射程增加其造價會不成比例的暴漲。

資料圖：液體火箭發動機的基本原理，兩個箱子裝燃料（Fuel）和氧化劑（Oxidizer）,然後用泵（Pump）把它們抽出來噴射到發動機的燃燒室（Combustion Chamber）里點燃，高溫高壓燃氣從噴管（Nozzle）噴出後形成巨大推力

資料圖：固體火箭的發動機結構比液體的簡單多了，中間就一個大火藥柱子，就那麼從底下往上面燒唄。

資料圖：美國民間火箭愛好者自己製作的簡易固體燃料火箭，燃料澆鑄時特殊的銀灰色澤來自加強燃燒能量的鋁粉，注意燃料中間的燃氣通道

衝壓發動機在高速下工作時，推力大阻力低，而且本身結構輕巧簡單。僅以高超音速導彈來說，採用衝壓發動機，可以在相同的噸位尺寸下做出射程翻倍的產品；或者保持射程不變的情況下體積做的更小，武器系統可以一次攜帶更多的導彈數量。

衝壓發動機實際應用的幾個主要難點，首先在於它只能在高速飛行獲得足夠進氣壓力時才能啟動。針對啟動速度的問題，不同的飛行器有不同的處理方式。比如SR71黑鳥，它的J58發動機在低速時以渦噴模式工作，在加速完成後轉換為衝壓模式。而對於導彈（尤其是非空射型的），則通常使用固體火箭助推器進行輔助加速。

資料圖：為了減小導彈的整體尺寸，現代衝壓導彈往往會把固體火箭助推器做到衝壓發動機的燃燒室里

其次的難點在於結構部件有著很強的耐高溫高強度要求，最後也是最大的難點，則是保證燃料能與空氣均勻的混合并可靠的點火、持續穩定燃燒——尤其是在導彈進行機動飛行，進氣道的角度等情況始終處於變化過程中時。而速度越高，這方面的難度就越大。比如3倍音速提升到4.5倍音速以後，碰到的難題之一，就是進氣道內的氣流溫度也會隨之急劇升高，對燃燒過程形成巨大的負面影響。

資料圖：目前實用化的5-6倍音速以下的衝壓發動機，氣流在從進氣道進入燃燒室以後都會減速到亞音速狀態參與燃燒，因此叫做亞燃發動機。而一旦達到6倍音速以上，衝壓發動機就要進行超音速燃燒，而這是中國衝壓發動機未來最大的技術難關。

高溫空氣與燃料混合燃燒以後，生成的二氧化碳和水蒸氣會進一步開始解離；分解出大量的一氧化碳、羥基、原子態的氧和氫，在5倍音速時，燃燒生成的水分就能有60%被解離掉——而解離二氧化碳和水分的能量，都來自於燃料本身的燃燒釋放。這種現象不僅導致了燃燒過程本身的高度不穩定，也導致了發動機推力的急劇下降，是阻礙衝壓發動機進行高超音速飛行的關鍵因素之一，被稱為「高超聲障」。

資料圖：鷹擊-12上，中國的3倍音速級別衝壓發動機實現了實用化

最後從應用前景來看，由於發動機自身限制、以及熱障和高壓等問題，目前要製造大噸位大尺寸的4.5倍音速級飛行器——比如載人飛機或者大中型無人機，還存在極大的困難；唯一可行的工程用途，就是開發遠程高速導彈。而再進一步具體的話，遠程反艦、對地導彈都在可能性範圍之內；或許數年之後，我們就能見到此類產品的公開亮相。