吸气式发动机　巧用大气中的氧

多年来，工程师们一直都梦想着建造一种速度超过5倍音速（5马赫）的高超音速飞机。这种高性能飞机使用特殊的吸气式喷气发动机，不仅能用于地面上两地之间的运输，而且还能飞上太空轨道。其实有关用高超音速飞机进行航天运输的设想早在40多年前就有人提出了，但由于解决不了所牵扯的高难技术，一次次努力都无功而返。近年来，随着技术的不断成熟和对更有效的天地往返运输系统的需求的日益增长，科学家们重又想起了这种系统，并发起了旨在攻克这道难关的新一轮冲击。

吸气式发动机比起火箭有几大优点。由于能利用大气中的氧，它们可以少携带推进剂（只带燃料，而不必自备氧化剂），从而可使运载器更轻便、更小巧、更便宜。对于同样的推力，吸气式发动机所需携带的推进剂数量还不到火箭的七分之一。另外，由于吸气式飞行器依赖气动力飞行，而不是火箭的推力，所以它们的机动性更高，从而提高了安全性。一旦出现问题，这种飞行器可以中止飞行，滑翔返回地面。从飞行任务的灵活性看，吸气式飞行器也要胜过火箭一筹。

但是供航天运载器使用的吸气式发动机也有弱点，这就是它们不如火箭技术那么成熟。运载火箭技术在过去的40余年里，经历了不断改进和再改进的过程，而高超音速吸气式推进技术目前还尚处在“黎明前的黑暗”之中，有待摸索和突破。

当然，喷气发动机也并非什么新技术。它们的工作过程是先对来流空气进行压缩，然后使其同燃料混合，并使混合物燃烧，最后利用燃烧产物的膨胀来产生推力。但商用飞机和战斗机所用的涡轮喷气发动机只能工作到3～4马赫，速度再高的话，用于压缩空气的涡轮和叶片就会因过热而受损。

值得庆幸的是，如果把发动机设计成冲压式的，到高超音速下就不必使用涡轮了。这样一种发动机在进气道形状上要特别“讲究”，为的是在飞行器快速通过大气层时使空气减速并得到压缩。由于冲压喷气发动机在低速下无法工作，所以需要把它们同涡喷发动机制成一体。曾在1959年创造了时速1640公里的飞行速度纪录的法国粗毛犬-2试验机就采用了这种组合。在一些面空和空面导弹上，冲压喷气发动机还被用来同火箭进行组合。但冲压喷气发动机也仅能工作到6马赫左右，速度再高，燃烧室的高温会使燃烧产物（水）分解。

为达到更高的飞行速度，需要使用超音速燃烧冲压喷气发动机（简称“超燃冲压发动机”）。这种发动机减少了在进气道处对气流的压缩，以使气流减速幅度不那么大。由于气流进入后仍是超音速的，其温度不会像冲压喷气发动机那样大幅升高。发动机的燃料被喷入超音速气流并与空气混合后，须在1毫秒内完成燃烧。超燃冲压发动机工作速度的上限尚有待确定，但理论上说应在入轨所需的速度范围（20～25马赫）之上。但在这样极高的速度下，超燃冲压相对于火箭发动机的优势会变小甚至消失，原因是结构应力太大。

高超音速吸气式发动机可以选用的燃料种类不少，包括氢和烃类，但航天发射一般选氢。液氢之所以能担此重任（美国航天飞机使用的就是液氢），是因为它在被烧掉之前还可用于冷却发动机和机体，而烃类燃料则做不到。烃类燃料一般可用在速度不到8马赫的场合。

采用超燃冲压发动机作动力的运载器必须要能大量吸入空气。这种运载器发动机和机体间的界限很模糊。来流空气主要靠机体下侧来转向，以增加转向后空气的压力。一般来说，这种变化的幅度足以引起压力的突变，即激波。这道激波源于运载器的头锥部，然后通过大气传播，运载器底部和激波间被压缩的空气绝大部分会被导入发动机。空气在气流减速及燃料在燃烧区燃烧过程中增温。反应的最终产物通过一个内部和一个外部喷管膨胀，从而产生推力。此外，运载器底部的高压还能提供升力。

为了扩大超燃冲压发动机的工作范围，工程师们设计出了既可以在超燃冲压、又可在冲压方式下工作的飞行器。这种双模式工作可以通过使用几何形状可变的燃烧器来实现，也可以通过在位置不同的喷注器间切换燃料流来实现。

因为超燃冲压和冲压发动机在速度低于2～3马赫时都不能有效工作，所以在起飞时还需要使用第三种推进方式。这个“第三者”可以是涡喷，也可以是火箭。有一种可以用在航天运载器上的发动机称为“火箭基组合循环发动机”。它采用与超燃冲压燃烧器做成一体的一台火箭来提供从起飞到亚音速和低超音速，再到冲压发动机工作速度所需的推力。在冲压发动机工作之后，超燃冲压推进装置“接棒”，并工作到至少10～12马赫。此后，跑完第一棒的火箭将再次上阵，为超燃冲压发动机助上一臂之力。速度达到18马赫后，火箭将“单枪匹马”把运载器推入轨道，并使其能在太空内机动飞行。美国航空航天局目前正在对这样一个系统的几个变种进行试验。

不过，超燃冲压发动机技术还有许多验证工作要做。时至今日，由于计算流体力学和设计方法已有了惊人的进步，研制融结构和超燃冲压发动机于一体的运载器已成为可能。有待攻克的技术难题包括研制轻型耐高温材料、保证燃料能快速而充分地混合和燃烧和减少有弊无益的热量积累。

70年代美国航空航天局兰利研究中心利用高超音速飞行器模型和一座风洞对超燃冲压发动机的基本技术进行了验证。英国、法国、德国、俄罗斯、日本、澳大利亚以及美国其它机构也对样机发动机进行过地面试验。另外，中国、意大利和印度等国也在着手开展相关研究。现在超燃冲压发动机地面试验已是常事，模拟速度已达到15马赫。俄罗斯已通过飞行试验验证了一种双模超燃冲压发动机在冲压模式下的工作性能，试验速度达到6.4马赫。

尽管迄今还没有一种飞行器在超燃冲压发动机的推动下飞行过，但离进行这种飞行试验的时间已不远了。美国航空航天局正在通过其“高超”X研究计划（由兰利研究中心和德莱顿飞行试验中心实施）建造X-43A试验机。这种3.6米长的飞机将在今后3年内在7马赫和10马赫的速度下进行超燃冲压发动机飞行试验。如一切顺利，这些试验将为超燃冲压推进装置未来的应用铺平道路。在众多的应用中，高超音速运载器是其中重要的一项。（待续）

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