比「黑鳥」還快7倍！這些技術將讓航空界迎來變革

原標題：比「黑鳥」還快7倍！這些技術將讓航空界迎來變革

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美國NASA蘭利研究中心的風洞試驗

最近，美國總統特朗普叫囂要撕毀中導條約，隨後又傳出美國洛克達因公司在NASA蘭利研究中心8英尺高溫風洞中成功完成了一型新型超燃衝壓發動機的自由射流試驗。這就尷尬了……

超燃衝壓發動機是目前人類在高超聲速飛行器領域中，最具前景的動力來源，自從人類的航空器突破聲障之後，對於高超聲速的追求便一發不可收拾，在上世紀的冷戰巔峰中，「黑鳥」與「狐蝠」的相愛相殺將人類的航空器帶入了三倍聲速時代。

使用超燃衝壓發動機驅動的高超聲速飛行器

而到上世紀90年代，隨著冷戰格局的瓦解，在「一超多強」的局面下美國為了進一步鞏固其全球霸權，提出了「一小時打遍全球」的軍事策略。如果要實現這個誇張目標，那麼飛行器的速度就必須達到驚人的16倍聲速以上。

這樣的速度對於目前人類任何一款航空器而言都是望塵莫及的。除非有一種航空發動機能夠在動力系統上對航空器帶來根本性的變革，使航空器的速度加速到16馬赫，而從人類的目前現有的技術角度出發，最有可能實現的這一壯舉的便是超燃衝壓發動機。

衝壓發動機的工作原理

衝壓發動機示意圖

°

衝壓的發動機的的概念誕生於一戰前，由法國人瑞內·勞倫提出，其原理是飛機在高速飛行中利用來流空氣進行增壓燃燒，以獲得高速推力，衝壓發動機的結構外形是一個兩頭粗中間細的管子，管子從左到右分別是進氣道、定子、燃燒室和噴口。當在管子的一端湧進超聲速空氣時，會受到內部定子的減阻，使其降至亞聲速，被減速的空氣在進入燃燒室和燃料混合燃燒後，受熱膨脹的高溫空氣向外噴出，推動航空器向前運動。

SR-71「黑鳥」使用衝壓發動機與

渦噴發動機混合噴氣的J58發動機

與現在戰鬥機常用的渦噴發動機相比，衝壓發動機結構簡單，推力大，具有較快的速度，但是衝壓發動機由於沒有平常發動機的壓氣機和渦輪風扇結構，因此在當低速飛行時，因為進入發動機進氣道的空氣量太小而無法發動，所以一般衝壓發動機在工作前，都是先由渦噴發動機將飛行器推到超聲速狀態後，衝壓發動機才開始工作，著名的SR-71「黑鳥」戰鬥機便是採用這一設計原理。

美國S-72高超聲速飛行器概念圖

使用衝壓發動機可以輕易的將飛行器提速至3—4馬赫以上，但是當飛行器在超過4馬赫時，隨著速度的進一步提升，衝壓發動機內的定子結構也很難將超聲速空氣減速至亞聲速，而當超聲速空氣直接湧進燃燒室後，由於極快的速度使得空氣很難在燃燒室內被點燃，因此面對4馬赫以上的速度傳統的衝壓發動機便無法點火，而想要在衝壓發動機突破4馬赫的極限，就必須使用超燃衝壓發動機。

超燃衝壓發動機的技術難題

X-43A高超聲速飛行器

°

超燃衝壓發動機相比傳統的衝壓發動機而言，進一步簡化了發動機結構，取消了傳統衝壓發動機中為空氣減速的定子系統，從而允許空氣以超過聲速的速度湧入發動機燃燒室內，但是這樣以來就必須解決超聲速空氣的點火問題，因為當超聲速的空氣湧入發動機燃燒室後，傳統的航空燃料很難將其點燃，這就好比是在颶風之中引燃一根火柴一般，因此超聲速空氣的點火便成了超燃衝壓發動機的首要難題。

搭載至B-52掛架上的X-43A

而要解決超燃衝壓發動機的點火難題，就是必須從航空燃料的選擇與噴洒這兩個方面考慮，因為從溫度角度而言，超聲速空氣本身便具有極高的溫度，足以點燃燃燒室內的燃料，但是由於空氣在超聲速條件下使得燃燒具有極大的不穩定性，因此必須採用先進的計算機控制技術來精確控制航空燃料在發動機燃燒室內的噴洒，以此提升燃燒的穩定性。

美國X-51高超聲速飛行器

此外普通的液態航空燃油在面對高溫高速的空氣時，會發生嚴重的霧化現象，阻礙發動機點火，因此液體航空燃油並不適用於超燃衝壓發動機，最後在來自俄羅斯的科研人員努力之下，尋找到一個可吸熱的碳氫燃料來充當超燃衝壓發動機能源，吸熱碳氫燃料在吸收了高溫空氣的熱量後會催化出甲烷、乙烯和氫的混合物進入燃燒室，提升燃燒性能改善了液體燃料霧化，另一方面碳氫燃料還通過可以吸收大量的熱量，解決發動機的冷卻需求。

解決了燃燒的穩定性問題後，在理論上超燃衝壓發動機可以實現6—20馬赫的速度，但是這以來發動機的表面溫度就要超過1000攝氏度，飛行器會遭遇熱障衝擊，熱障問題目前是人類在航空領域中的一個亟待解決的難題，熱障會導致發動機表面出現形變，金屬強度大大削弱，嚴重的會導致飛行器解體，目前對於熱障問題最主要的解決方式在於使用隔熱材料，但是對於高超聲速飛行器而言效果並不是非常理想，因此熱障問題也成為制約高超聲速飛行器發展的「元兇」之一。

世界各國超燃衝壓發動機的發展

NSAS主導了X-43A1高超聲速飛行器試驗

° 目前在全世界範圍內超燃衝壓發動機競賽不斷攀升，其中以美國走在前列，美國裝備有超燃衝壓發動機的X-43A驗證機曾藉助火箭發動機助推使速度達到的驚人9馬赫以上，但是由於裝備超燃衝壓發動機的高超聲速飛行器在解決熱障問題以及燃料持久性問題上還有較大問題需要突破，X-43A以9馬赫的速度僅僅飛行了6分鐘便因為燃料耗盡墜入大海，從美國的試驗經驗可以看出，目前人類的超燃衝壓發動機技術仍然處於理論試驗階段，距離成熟還有很長的路要走。

X-51高超音速飛行器概念圖

除過美國之外，俄羅斯在上世紀90年代也開啟了超燃衝壓發動機的試驗項目，從1991年至1998年俄羅斯進行了4次大規模的超燃衝壓發動機飛行試驗，最大飛行速度超過6馬赫，後來由於經費問題俄羅斯採取與歐盟國家聯合舉行試驗的方式，法國在1985年曾使用碳氫化合物燃料超燃衝壓發動機推動飛行器達到了8馬赫的速度。自從上個世紀40年代噴氣式發動機的出現，航空領域迎來了在半個多世紀的超聲速飛行時代，而到如今超燃衝壓發動機實驗與發展，勢必會誕生出一個嶄新的高超聲速飛行時代。

END

作者：蓋宇斌

編審：李美靜

監製：王 蘭

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