空天飞机的极速梦想

从跑道上起飞，几小时之内往返袭击地球上的任一目标；一场足球赛的时间，就能让你从纽约飞到悉尼。超燃冲压发动机不仅担负着空天飞机的未来，也承载了人类突破极限的梦想。

想想《星球大战》中天行者卢克（Luke Skywalker）的X翼战机——能够从跑道上起飞进入太空，而后可以返回，这就是工程技术人员一直梦寐以求的飞行器。但是，一道难题挡住了他们的去路：喷气式发动机的燃料燃烧需要氧气，但大气层外没有足够的氧气来维持燃烧。因此，飞往太空需要火箭推进，还要携带燃料和氧化剂。即使像航天飞机这样当今最先进的发射系统，液氧和固体氧化剂也占去了发射重量的一半，这才保证了在进入地球轨道的整个航程中，燃料能持续燃烧。

超声速燃烧冲压式发动机可能是解决方法之一。它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实。研究人员计划在2007年、2008年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在2009年展开一系列突破技术屏障的飞行试验。

与径直冲向轨道的火箭不同，采用超燃冲压发动机提供动力的飞行器，将像飞机那样，依靠机翼和机身产生的气动升力爬升。这让飞机更具机动性，也更安全（如果飞行失败，飞行器可以滑翔回到地面）。它利用传统的喷气式发动机起飞，加速到超声速。声速就是飞机速度达到马赫数1，或者说达到海平面760英里/时，大约340米/秒。然后，超燃冲压发动机开始工作，把飞机推进到高超声速领域——马赫数5～15（超燃冲压发动机性能的理论极限）。最后，在入轨前剩下的航程中，由小火箭来为有效载荷加速（有效载荷基本上是指飞行器携带的人员、货物、仪器等，是用于完成任务的有效部分）。马赫数5是声速的5倍，即1英里/秒（约合1.6千米/秒）。相比之下，目前最快的吸气式有人飞机是美国空军的SR－71黑鸟侦察机，它的最高速度是马赫数3.2。

这种能力将掀起飞行革命。具有传统飞机那样的飞行能力，又能重复使用的空天飞机，可以使往返空间的航程缩短到一天之内，还能大幅降低人员及货物入轨的费用。新发动机极高的性能，将从根本上缩短军用飞机或导弹打击地球上任意目标的时间。甚至有一天，超燃冲压发动机可能作为高超声速远程客机的动力，只要两个小时就能带你从纽约飞到悉尼。如果你乘坐波音777来完成这段跨越赤道的漫长旅程，就得困在机舱里接近20个小时。

为了让超燃冲压发动机达到高超声速飞行，世界上许多研究小组正在努力克服巨大的技术挑战。本文的讨论将集中在美国空军和普惠公司(Pratt & Whitney）的高超声速技术（HyTech）超燃冲压发动机计划上，这是我最熟悉的计划之一。另外，还有大量研发工作在美国海军、美国国家航空航天局（NASA）、美国国防部高级研究项目局（DARPA），以及澳大利亚、英国、日本等地展开。

通往蓝天之路

用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。上世纪50年代，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划。但是，随着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近20亿美元。2004年，NASA的HyperX计划完成，成功地进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行试验。这两次飞行都是在单一速度和高度下，持续了数秒。同年末，X-43A超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数9.6的记录。美国空军正在试图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。

超燃冲压发动机是所谓吸气式喷气发动机家族中的一员。这个家族的成员在不同速度和高度的范围内工作，产生推力的基本原理也不同。一般而言，喷气发动机工作过程包括压缩大气空气、空气与燃料混合、燃烧混合物，膨胀并排出燃烧生成物4个过程。客机乘客最熟悉的就是涡轮喷气发动机（gas turbine engine）。它包含5个基本部件：进气道、吸入空气并升压的压缩机（安装在转轴上的叶轮）、燃料喷入并燃烧的燃烧室（或燃烧器）、当热燃气通过叶片时，旋转并驱动压缩机轮轴的涡轮，以及排出高温膨胀燃气，产生推力的喷管。现有的涡轮喷气发动机能够让飞行器的速度稍稍超过马赫数3。速度再高点，旋转部件就会因过热而遭到损伤。

如果速度超过马赫数2.5，而喷气式发动机被设计成“冲压压缩”来流空气的形式，它就不再需要压缩机和涡轮。因此，冲压发动机只有进气道、燃烧室和喷管。冲压发动机[译注：这里特指亚燃冲压发动机，即ramjet]特殊设计的进气道在压缩空气的同时，还要把空气减速到亚声速。喷嘴向空气中加入燃料，点火燃烧空气和燃料的混合物。热燃气流穿过狭窄的喉道时，再次被加速到声速，然后膨胀，冲出倒锥形的喷管，达到超声速。当飞行器的马赫数超过5，进气道的空气减速就会提高发动机内的温度。一旦超过某个点，燃烧再也无法发挥作用，无法有效提高能量。所以，马赫数5～6是冲压发动机的实际极限。

剖析超燃冲压发动机

为了产生更大的推力，在比冲压发动机更高的飞行速度下工作，超燃冲压发动机减少了对来流空气的初期压缩，所以空气减速不大，在燃烧过程中始终保持着超声速。超燃冲压发动机跟冲压发动机一样，不包含移动部件，基本由两个像漏斗一样的收缩管通过它们的细口端相连构成(参见57页的示意图)。工作时，超声速空气进入进气道（第一个漏斗）升压升温。中间通道（燃烧室）限制了气流的流速，在这里，燃料被喷入流经的空气当中、然后点燃，继续加热气体。生成的排气喷出喷管（第二个漏斗），这时的速度比进气的速度更高。

冲压发动机或者超燃冲压发动机有点像某种鲨鱼，只有不断向前游弋，才能保障氧气供应。它们在启动和产生推力之前，必须快速前进，强迫空气进入进气道。也就是说，在已经具备一定速度的条件下，发动机才能启动。所以，以超燃冲压发动机为动力的轨道发射飞行器，必须与火箭、涡轮发动机等其他推进系统组合起来，才能发挥作用。一旦达到所需速度，空天飞机驾驶员就启动超燃冲压发动机飞越大气层，然后由火箭接力，完成最后进入轨道的工作。要设计出由不同发动机组成的组合推进系统，是一个如何集中优势力量的难题，其中涉及的影响因素包括载荷尺寸、预期轨道、大气层飞行的范围和速度，以及武器携带能力等等。

超燃冲压发动机运行的主要困难在于，空气在发动机中的滞留时间极短，仅仅有千分之几秒的时间，所以燃料燃烧的任务就如同在龙卷风中点燃一根火柴，还要让它持续燃烧下去。保证超燃冲压发动机工作的关键，就在于通道内部极为巧妙的几何形状，它能够让燃烧热量沿着通道释放。一个实用的超燃冲压发动机依靠两点来产生稳定的推力：一方面，准确控制流经发动机的气流速度与压力；另一方面，还要调节进入燃烧室的燃料量，使它能够准确地按照需要，完全燃烧并释放出能量。精确控制流动面积和释热，使冲压发动机不再需要机械拥塞部分，也使超燃冲压发动机维持超声速气流通过燃烧室成为可能。

超燃冲压发动机的研究者知道，关键就在发动机中的热能管理。来自摩擦以及燃烧过程的热量传向机体结构，在某些部分，作用在发动机内部的内激波（internal shock wave，激波就是在流体中以超声速的速度传播并对流体产生压缩作用的波）放大了热流。发动机吸入的高超声速气流的动能，如果完全转化为热能的话，足以熔化发动机的金属结构。但如果减速不足，空气流过发动机时速度过快、温度和压力过低，就无法支持燃烧。

为了防止超声速气流摩擦造成结构熔化，工程人员采用了“主动冷却”的方案。油泵强迫一定的吸热燃料通过布置在发动机和机身内部的燃料通道，带走破坏性的热量。这个过程还能促进燃料在发动机中迅速燃烧。冷却技术已经在传统火箭上成功地应用了数十年，特别是把液氢作为冷却剂的技术尤为成熟。在这种环境下，使用碳氢燃料更具挑战性，因为受热的碳氢燃料会迅速分解成固体结碳，堵塞冷却通道。另外，还有一些其他缺点：主动冷却系统将导入多余的重量，使结构更加复杂；系统还必须一直处于工作状态，因为燃料冷却剂缺失，将会使结构面临灭顶之灾。

成功运行超燃冲压发动机是一个细致的平衡工作。由于已知的气流几何(airflow geometry，气流在发动机内部的波系与流动结构)仅适用于单一的飞行条件（速度、高度等），所以这项工作会更加复杂。理想的超燃冲压发动机流道的物理尺寸和形状，应该在飞行器加速和高度改变的时候仍然适用。但是，这一标准对耐热内表面和机械连接的要求，已经超出了当今材料和结构力所能及的范围。连续移动发动机高温内表面（即改变发动机内通道几何形状）、密封高温气体等方面提出的要求，使我们在实现超燃冲压发动机热循环、发掘它全部潜能的道路上举步维艰。

个案研究

虽然超燃冲压发动机存在固有的技术难关，但是研究人员最近的一些成果告诉我们，前途仍然是光明的。美国空

军1995年启动的HyTech计划就是成功案例之一。美国政府、航天业和大学科技人员携手合作，主要集中考虑怎样应对可运行模块的工程挑战。首先，他们集中开发用于导弹的、单次使用的小型超燃冲压发动机。为了适应现有的地面实验设备，这个发动机尺寸不需要很大，只是用于技术评估。只考虑单次使用，把发展重复使用结构的复杂工作推延到下一步研究之中。另外，研究人员还把它的工作范围限制在马赫数4到8之间，采用固定形状的流道，把计划的设计难度降到最低。

最后，他们选择了原本为SR－71黑鸟侦察机开发的JP-7燃料。就跟前面提到的一样，在燃料冷却的超燃冲压发动机中，燃料需要作为处理多余热量的热沉（heat sink，吸收热量的物质）使用。在一个热平衡系统中，用于吸收结构多余的热量所需要的燃料量，应该少于燃烧所需的燃料量。HyTech计划者希望在马赫数8时达到平衡，而我们已经证实JP－7符合这个要求。

与火箭动力发射器相比，吸气式动力飞行器在有效性方面的性能研究显示，飞行器达到最高速度一半左右的时候，它才能进入良好的工作状态。因此，工程师们把超燃冲压发动机的启动速度设定在马赫数4，但这有一定难度，因为在这个速度之下，进入燃烧室空气的温度远低于燃料自点火的温度。所以，发动机需要辅助点火，比如加入化学添加剂降低燃料自燃的温度，或者制造能把高温气体喷入燃烧室，点燃燃料的装置。在高马赫数条件下，点火和稳定火焰相对简单，速度再提高，气流在发动机内部逗留时间太短，我们将面对如何维持燃烧的挑战。

2003年，HyTech组开发了发动机部件和整体发动机的分系统，都达到或超过了大部分的预期目标。但是，即使经历了大量地面试验之后，开发中仍然存在明显的不确定因素。存在的问题都与过渡条件（速度、飞行高度、推力调节等）下，如何维持发动机性能有关，而这些又难以在风洞中研究，需要进行飞行试验。

这也正是为什么2009年，美国空军的超燃冲压发动机演示样机（SED，现在代号为X-51A）要把HyTech系统的一部分带入空间的原因。这次实验将对HyTech计划中正在提炼的技术进行持续的飞行评估。通过地面试验和大量数值计算，HyTech的工程技术人员已经开发出适合SED计划飞行重量的、主动冷却的超燃冲压发动机。

如果我们能在飞行中改变发动机的内通道形状，就能靠它调节性能，适应迅速变化的速度和飞行高度，但我们目前还无法做到。SED工程技术人员选择了固定几何形状的流道。这样，既能在速度范围（马赫数4.5～7）的低端保证足够的加速性能，又能在高端保证有效的巡航性能。管理燃料在发动机中的分布情况，是控制发动机推力、加速度以及维持稳定工作状态的基本方式。

发动机主要由钢材加工而成，采用燃料流主动冷却结构。在一部分前缘，用耐热陶瓷材料来代替钢材。因为这些地方直接面对高温气流加热，但前缘又很尖锐，无法设置冷却通道。如何可靠地连接这些有冷却装置和没有冷却装置的部件，是个颇具挑战性，也非常关键的问题。很明显，结构损伤过快（导弹还没到达目的地），将导致灾难性的失败。另一个问题是陶瓷和金属部件热膨胀的失配将破坏气流几何，扰乱超燃冲压发动机的性能控制。为了解决这个问题，工程技术人员发展出由舌槽（tongue-and-groove）连接的耐热碳/碳复合材料。

使用JP－7燃料来运行和冷却超燃冲压发动机是X－51A成功的基础。到目前为止，氢是大多数超燃冲压发动机的首选燃料。与氢燃料相比，碳氢燃料一般不易反应、单位质量所含能量少、而且冷却热结构的热容量低（也就是说，吸热之后升温较快，冷却效果较差）。但是，其他所有空军的飞行应用基本上都会用到碳氢燃料，所以相关的基础设施已经遍布全球。而且，碳氢燃料便于携带、单位体积的能量大，与相同能量含量的氢燃料相比，碳氢燃料所需的机载空间更小。

为了抵消碳氢燃料低活性和低热容量的缺点，HyTech利用了JP-7的吸热潜能，即化学吸热的能力。当这种燃料从周围获得无氧热量，并具备合适的催化剂时，长而复杂的复合链将分解成更短、更简单的结构。在这个过程中，燃料吸收的热量可以达到其潜热（相同温度下物态变化所需热量）的5倍，用这些能量就能把燃料从液态变为气态；而且吸热以后的燃料与没有加热的液态燃料相比，能量增加了10%。最终生成的低分子量的碳氢比原来的分子更活泼，更容易在短时间内，在超燃冲压发动机中燃烧。

工程技术人员研究制造出尺寸足以推动导弹类飞行器的固定几何发动机，从马赫数4开始燃烧碳氢燃料（比如JP-7），一直加速到马赫数7。目前正在发展中的主动冷却和耐温结构技术，能让机载燃料维持发动机的热平衡。2009年，X-51A飞行器将被火箭推到超燃冲压发动机点火的速度，然后脱离火箭，在飞行中检验这些关键技术。

未来的挑战

即使SED飞行试验成功，到实际应用之前，我们还有很多事要做：比如快速响应武器的发射、长时间高超声速巡航以及用更低成本进入空间等等。

超燃冲压发动机必须能够在一个较大的马赫数范围内可靠地工作。此前我们提到，目前的涡轮发动机从马赫数0到3或者4很有效，而火箭发动机可以承担超过马赫数15的飞行部分。高速状态下，超燃冲压发动机需要在一定高度下持续飞行，才能保证吸入足够的空气维持燃烧，但发动机已经无法承受这时的热量。因此，研究人员需要在机身上尽量多安装几个能够在马赫数4到15之间工作的超燃冲压发动机。在一些实际应用中，超燃冲压发动需要与涡轮发动机那样的低速循环发动机充分组合。这意味着这些发动机的工作范围必须有所重合，才能实现平滑的过渡切换。除了掌控多个发动机之间的切换以外，工程技术人员还必须努力限制各种推力系统的外加重量，不让组合式发动机超重。

固定几何设计的X-51A不能从根本上降低运行极限。发动机内部的可变几何将允许超燃冲压发动机在马赫数4以下工作。虽然不是SED的一部分，美国空军和NASA的工程技术人员也曾在HyTech发动机样机上演示过可变几何的进气道，其中的移动舵面能改变它的气动构型。

燃料技术也将限制超燃冲压发动机在工作范围两端的使用。按照X-51A的设计，它只有在结构受热达到一定程度，将JP-7转化为气态的情况下才能工作。针对更低的马赫数，新一代的超燃冲压发动机燃烧室在燃料还没有完全转化为气态之前，将在短时间内，在液态燃料或者一种包含液相和气相燃料的条件下运行。液体的密度是气体的1,000倍，因此，在燃料从液体向气态转化过程中，燃料供应、维持稳定燃烧和稳定推力等等都变得极其复杂。但是这种能力已经在HyTech研究的部件试验中得到了演示。在飞行包线的高端，在速度接近马赫数8时，像JP-7那样吸热分解的航空燃料依然匮乏（飞行包线是指飞机各方面性能的参数设定范围，比如最高和最低飞行速度、最大允许高度等）。要飞得更快，就要求极为不同的燃料和先进的耐热材料，或者不考虑后勤和飞行器携带的挑战，转而使用氢燃料。

HyTech计划最初聚焦在空中发射的、导弹尺寸的飞行器上。要实现长时间高超声速巡航、进入空间等应用，需要更大型的飞行器。DARPA2003年启动的猎鹰计划和空军的Robust Scramjet计划，正在着手解决增大发动机尺寸、比现有HyTech设备大100倍的气流量等问题。

目前，超燃冲压发动机技术发展的成果在克服关键技术屏障，达到高速飞行方面，已经迈出了一大步。伴随着不断的进步，我们希望，即使不是一大步一大步地发展，也是一英寸一英寸坚持不懈地前进。在不远的将来，我们就能制造出《星球大战》中的X翼发动机。

(译/张新宇 校/崔月婷)

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