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超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，被美國(guó)確定為未來將改變戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的重點(diǎn)技術(shù)之一，能夠搭上超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的快車道甚至關(guān)乎我國(guó)國(guó)運(yùn)。而國(guó)防科大則完成了這一歷史性突破。

一、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)目前主要分為渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)等，但這些發(fā)動(dòng)機(jī)都普遍無法達(dá)到較高的飛行速度，最快只能飛到2馬赫左右。原因是這些飛機(jī)都是利用渦輪/風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)氣流反推，當(dāng)渦輪（用于壓氣機(jī)）/風(fēng)扇轉(zhuǎn)速到一定程度后，強(qiáng)大的離心力將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)斷裂，無法繼續(xù)，但這種發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)性能相當(dāng)好。

在思考怎樣將發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)提速時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣速度達(dá)到2馬赫以上時(shí)，如果取消發(fā)動(dòng)力內(nèi)部的風(fēng)扇渦輪等設(shè)備，讓氣流直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。然后通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造（一般是縮小發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑），發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流的壓強(qiáng)就會(huì)自動(dòng)上升，節(jié)省了壓氣機(jī)壓氣環(huán)節(jié)。一般只要空氣降到音速之下就可以進(jìn)入燃燒室和燃料混合點(diǎn)燃使用了，點(diǎn)燃后的空氣壓力由噴口噴出，產(chǎn)生強(qiáng)大的反推力，推動(dòng)飛機(jī)或者導(dǎo)彈向前飛機(jī)，這就是所謂的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理。

上圖為渦噴、沖壓和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖，從左至右其結(jié)構(gòu)依次為進(jìn)氣道、燃燒室、噴口，從上往下進(jìn)氣道的進(jìn)氣速度逐漸增加，渦輪結(jié)構(gòu)被取消，因此發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，推力也越來越大，但點(diǎn)火變得越來越困難。

二、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

然而人類對(duì)速度的追求是瘋狂的。對(duì)更快的發(fā)動(dòng)機(jī)需求之后，科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度超越4馬赫后，燃燒室內(nèi)進(jìn)入的氣流速度迅速升高，變?yōu)槌�音速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)便會(huì)出現(xiàn)很多問題導(dǎo)致速度無法繼續(xù)提升甚至熄火，讓氣流在超音速下點(diǎn)燃產(chǎn)生穩(wěn)定的推力，這就是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。其中4-6馬赫叫做亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，6馬赫以上叫超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)其中最重要的問題包括進(jìn)氣道技術(shù)，燃燒室技術(shù)和材料技術(shù)。

上圖為美軍的SR-71黑鳥戰(zhàn)略偵察機(jī)，它巧妙地將一個(gè)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)裝在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，在低速時(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)工作，高速時(shí)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使得其最大速度達(dá)到了3.35馬赫，但再往上加速就比較困難了。

進(jìn)氣道技術(shù)要解決的主要問題是要求高超聲速進(jìn)氣道能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)可以持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)氣出氣，且維持穩(wěn)定的壓力，否則發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)變得不可控制甚至突然熄火。此外因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)時(shí)在和發(fā)動(dòng)機(jī)交界處流速恒定為0，這就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻力，這個(gè)交界層叫做附面層，高超音速時(shí)，這一阻力效應(yīng)非常大，要解決這些問題都需要對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，研究其三維壓縮效應(yīng)，附面層效應(yīng)等。

上圖為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的高超音速飛行器飛行時(shí)的溫度分布圖，可以看到其承受了極高的溫度，有些表面甚至超過1000度，這給飛機(jī)材料帶來了極大的考驗(yàn)。

燃燒室主要是燃料和氣流混合的場(chǎng)所，要解決的關(guān)鍵問題是在有限的空間(米級(jí))、時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)和在高速氣流(通常是超聲速氣流)中,實(shí)現(xiàn)燃料的噴射、霧化、蒸發(fā)、摻混、點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒,將化學(xué)能最大限度地轉(zhuǎn)化為熱能,有高的熱效率和較小的壓力損失，但因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總要逐漸增速。而在不同的速度下，氣流在燃燒室內(nèi)的速度不同，對(duì)于點(diǎn)火等技術(shù)的要求也不同，而簡(jiǎn)單的串聯(lián)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)不但增大重量而且并不真的有用，因此在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種模式燃燒就顯得非常關(guān)鍵。一般有兩種方法，一是通過精密的計(jì)算機(jī)調(diào)整燃燒位置、燃燒強(qiáng)度(燃燒控制)，另一種則是調(diào)整燃燒室?guī)缀蚊娣e，這兩種方式都非常難，需要大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)。

燃料技術(shù)要解決的問題原理很簡(jiǎn)單，在高超音速氣流中點(diǎn)燃燃料且讓其穩(wěn)定燃燒一會(huì)兒，這就好比人在12級(jí)大風(fēng)里點(diǎn)燃一根火柴還要讓其穩(wěn)定燃燒一樣難，自然普遍航空煤油無法擔(dān)任這一重任。經(jīng)過試驗(yàn)，碳?xì)淙剂峡梢猿袚?dān)這一重任。特別是吸熱碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑,吸收了發(fā)動(dòng)機(jī)部件的熱量,同時(shí)通過催化、裂解、發(fā)生相變形成氣態(tài)煤油、小分子碳?xì)淙剂?如甲烷、乙烯等)和氫的混合物進(jìn)入燃燒室。一方面燃料通過相變和裂解能夠吸收大量的熱量,滿足了燃燒室等壁面的冷卻要求,另一方面大大改善了液體燃料霧化、摻混性能以及燃燒性能。

三、各國(guó)競(jìng)相追逐

各國(guó)為了突破實(shí)現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，早在上世紀(jì)就開始了研發(fā)的腳步，1991年11月27日，蘇聯(lián)首先取得突破，其“冷(Kholod)”飛行器(Hypersonic Flying Laboratory, HFL)首次飛行試驗(yàn)取得成功，實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的正推力，最大飛行速度達(dá)到5.6 Ma，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到27.5 s，飛行高度35 km。

后來的俄羅斯也研制出了自己的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的高超音速飛行器GLL-AP-02，最大速度為6馬赫。

美國(guó)于1996年開始了這一方面的Hyper-X計(jì)劃，其目前已經(jīng)試飛的X-43A，使用氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，2004年11月16日取得飛行試驗(yàn)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作10~12 s，最大速度為9.8馬赫。

上圖為美國(guó)NASA研制的高超音速飛行器X-43A，最高速度達(dá)9.7馬赫，但因?yàn)闊o法解決燃料持久問題，因此試飛了三次均只持續(xù)了10秒以下就耗盡燃料，最終被NASA放棄。

而后美國(guó)又研制了X-51A，由B-52投擲發(fā)射。2013年5月1日，X-51A第四次飛行試驗(yàn)取得成功，最大速度達(dá)到5.1馬赫，飛行高度18.3 km，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到210秒，飛行距離426 km，創(chuàng)造了高超聲速飛行器的飛行距離紀(jì)錄。

上圖為美軍的X-51A“乘波者”高超音速飛行器，其使用三級(jí)推進(jìn)的方式，先由B-52加速到高亞音速，而后火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)推進(jìn)到超音速，最后啟動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)型目前共試飛三次，均告失敗。

我國(guó)的在上世紀(jì)90年代開始了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)真正的研制工作，并由航天三院，國(guó)防科大等多家單位負(fù)責(zé)，最終國(guó)防科大王振國(guó)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)先一步取得突破，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及其地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)技術(shù)等方面進(jìn)行了開拓性研究，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)水平的跨越。并獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，相信不久之后，我國(guó)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的高超音速飛行器就將上天翱翔。