聊高超音速，我们先首先要了解这几个动力名词

万磁王

作者：希弦-军事


某型高超音速无人机的试射新闻，应该毫无悬念的算是本年度的十大新闻之一。只不过限于官方透露出的星点信息，关于该无人机还是有着诸多谜团，外界言之凿凿的评论，只是还只是猜测。但抛开这些喧嚣来看，在未来的一段时间内，在我国国防工业高速发展的时代下，“高超音速”必将是频频出现的技术标签。甚至，成为飞行器技术发展上的再一次技术革命，并由此衍生着高超音速巡航导弹、高超音速有人/无人飞机、空天飞机和“太空战”中的空天导弹等多方面的装备概念。

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在钱学森的倡导下我国在1957年组建了冲压发动机研究室，1960年我国实现了第一台冲压发动机的成功点火，1969年我国首型冲压发动机取得飞行试验成功，成为少数少数几个掌握冲压发动机技术的国家。同期的50年代，我国航空工业就尝试过高空高速飞行器技术，其最为典型的代表便是北京航空学院（今北京航空航天大学）负责的“北京四号”——新中国第一架高空高速靶机。“北京四号”于1958年4月开始研制，设计马赫数2.5，使用冲压喷气发动机。

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对于高超音速飞行，需要解决气动布局、热防护（材料）和动力三方面的基本问题。但相较而言，“动力先行”是高超音速飞行器发展的指导思想。限于高速与高空的应用场景，高超音速飞行的动力是以吸气式发动机或其组合发动机为主。

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高超音速飞行器的高超音速必然与“高高度”相伴，其飞行高度或已是空天、跨大气层，或与外太空环境类似的临近空间，或即便大气层内也是3万米的高空。这种环境已与目前绝大多数常规飞机的飞行范围截然不同了，那么涡轮喷气式发动机也就因为没有足够的空气进入发动机燃烧室、涡轮叶片也会因高速飞行下的高温烧蚀，而无法使用了。因此，另一种吸气式发动机——冲压发动机便成为发展高超音速飞行器的基础性的关键性的动力技术。

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冲压发动机，由进气道、燃烧室和尾喷管构成，高速迎面气流经进气道减速增压，直接进入燃烧室与燃料混合燃烧，产生高温燃气经尾喷管膨胀加速后排出，从而产生推力。冲压发动机在结构上没有了压气机和涡轮等旋转部件，规避了上述活动部件的烧蚀问题，加之工作环境要求的速度更高，从而有了更多的空气进入，解决了稀薄空气中燃烧的氧化剂问题。冲压发动机的概念由法国的工程师雷内·劳伦在1913年首次提出，由此法兰西与冲压发动机便结下了不解之缘，并在有了“冲压狂人”雷内·勒杜克和世界上第一架以冲压发动机为动力的喷气式飞机在法国的诞生。

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当然，随着高音速飞行器的飞行高度进一步攀升，在近太空及以上的环境下，冲压发动机也无法使用了，便需要使用火箭发动机。那么，在像空天飞机，或需要跨大气层（跨介质）飞行的高超音速飞行器上，为适应不同环境就需要不同动力装置的多种组合。比如说最早的SR-71上的涡轮发动机与冲压发动机组合的J58，以及将涡轮发动机与冲压发动机、与火箭发动机的组合。

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冲压发动机已不是新技术了，已经在空空导弹、防空导弹、反舰导弹（特别是苏系为代表的对超音速反舰导弹技术的不断追求）等领域成功应用。较于在导弹领域常见的固体火箭发动机，冲压发动机有着不需要自身携带氧化剂、热效率极高、比冲大推力效果优异等方面的优势。只不过这些应用的冲压发动机基本都是“亚燃”的，在超音速飞行中进口处设置了用于将来流速度降低到声速以下的扩散装置，使气流进入燃烧室与油气燃烧时，处于亚音速状态，因此就称为“亚燃”。图为“流星”主动雷达空空导弹，冲压发动机与固体火箭助退器的组合使其兼顾了远射程和高速度，优异性能下也成为了欧洲三代战机以及引入的F-35四代机上的标配中距空战武器。

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但亚燃冲压发动机的应用场景是在5 6马赫以下的飞行器中，比如上述的超音速导弹上。飞行速度高于这个值的高超音速飞行器所使用的冲压发动机就是“超燃”的了，这样不需要迎面而来的气流只是被减速到3马赫左右，以仍是很高的超音速吸入发动机压缩，与燃料混合燃烧产生巨大推力。这样就减少了“亚燃”中因猛烈压缩气流流速到亚音速造成的高超音速激波损失和因此动能转化为热能的燃料室的温度急剧上升，也减轻了冲压发动机的结构载荷。因此超燃冲压动机的速度，不只是5马赫以上，只要材料和相关条件的允许理论上是无限的。

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也因此，超燃冲压发动机的研发早在冷战时期的7 80年代既已展开，成为目前最为成熟、发展最早的高超音速的动力技术。从俄罗斯最早开展的超燃冲压发动机飞行试验的“冷”计划，再到本世纪美国展开的X-43A、X-51A飞行试验，以及德法日澳英等国在近年来都有着相关的飞行或发动机的试验项目。若仅以美国来看超燃冲压动机技术，其从上世纪70年代的研制，但直到2010年5月才有X-51A动力飞行试验的“相对成功”，才有超燃冲压发动机从科学试验进入工程验证阶段的实用化，这背后的技术难度与成熟度可见一斑。图为德国的SHEFEX发展规划图，而在研制进度上SHEFEXⅡ在2012年的飞行试验中在大气层内实现了11马赫的高速，以及经受住了2500℃的高温。

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“冷”计划的试飞器是利用已经退役的远程防空系统萨姆-5（C-200）的5B28导弹改装而成。在拆除战斗部、制导等系统后，增加发动机模型和相关测量设备等。1991年11月27日俄罗斯首次进行了亚燃超燃冲压发动机发动机模型的系留试验。试验中实现了发动机从亚音速向超音速燃烧的转变，标志着超燃冲压发动机从地面理论的试验研究到了应用开发阶段，确立了当时俄罗斯在这一专业技术领域的领先地位。