什么是冲压发动机和超燃冲压发动机？

冲压发动机和超燃冲压发动机是喷气发动机的变体，它们从常规喷气发动机中抛弃了旋转压缩机和涡轮机。这两种模型依靠空气的自然撞击来产生推力。冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机的基本工作原理包括将进入的高超音速（速度大于 5 马赫）或超音速空气的重要动能转换为压力能。

以高超音速流动的空气具有非常高的动态压力。动态压力也称为速度压力，正式定义为每单位体积的动能。您可能还记得它是伯努利方程中的一个项（P + 1/2 ρ v2 +ρ g h = 常数，其中项“1/2 ρ v2”是动态压力）。

然而，以亚音速流动的空气的动态压力不足以产生任何可用的推力。此外，当飞机处于静止状态时，周围空气的动态压力甚至更低，不能用于产生推力。

因此，冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机在初始起飞时需要帮助，直到飞机达到特定速度。只有当周围的空气以不低于超音速的速度流动时，这两种类型才能有效运行，从 3 马赫开始。

现在，关于两个喷气发动机的构造，前部常规喷气发动机的压缩机被扩散器取代，而发动机的另一端则被推进（收敛发散）喷嘴占据。

扩散器是用于降低流体速度（在我们的例子中是进入的空气）并增加其压力和温度的装置。另一方面，喷嘴用于降低压力并增加流体（排气射流）的速度。由于冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机中没有压缩机，因此也无需涡轮机。

当以高超音速移动的空气被迫通过扩散器时，其动态压力被转换为静压。气流速度降低，而压力和温度升高。这种增加的温度和压力有助于混合物的燃烧。

其余的工作程序与普通喷气发动机相同。在燃烧室内，空气与燃料混合，火花塞有助于点燃混合物，而推进喷嘴则加速排气流以产生推力。

冲压发动机与超燃冲压发动机

在冲压式喷气发动机中，进入的空气通过扩散器减速至亚音速以下。它利用倾斜冲击波来减慢流动速度，然后是最后的法向冲击波，使其低于亚音速。由于产生的推力取决于排气射流的速度，因此在类似于喷气发动机的冲压式喷气发动机中，产生的推力量受到燃烧室中亚音速空气流的限制。

为了增加推力的产生，进入的空气不得减速到亚音速以下;超燃冲压发动机就是这样做的。超燃冲压发动机只不过是冲压式喷气发动机的升级版;事实上，超燃冲压发动机代表“超音速燃烧冲压发动机”。

在超燃冲压发动机中，进入的气流不会减慢到亚音速水平并保持超音速。这是通过一个更逐渐发散的扩散器来实现的。超燃冲压发动机中的燃烧室也被修改为以超音速运行，而冲压式喷气发动机中的燃烧室仅以亚音速运行。

推进喷嘴也经过修改，以将排气射流加速到更高的马赫数。因此，超燃冲压发动机产生的推力大于冲压发动机产生的推力。因此，超燃冲压发动机可以比冲压发动机以更高的速度飞行。

超燃冲压发动机携带燃料并使用摄入的大气氧气作为氧化剂，而火箭则携带燃料和氧化剂。由于超燃冲压发动机不携带氧化剂，因此它们仅限于大气飞行，不能用于太空旅行......还。

1947 年，当查尔斯·耶格尔 （Charles “Chuck” Yeager） 在驾驶贝尔 X-1 Glamorous Glennis 时达到 1.06 马赫的速度时，他成为第一个在受控水平飞行中飞行速度超过音速的人。指定他“在受控水平飞行中”达到超音速似乎是多余的，但这实际上是一个非常重要的区别。在第二次世界大战期间，曾有几次未经证实的说法称飞机达到甚至超过1马赫，但总是在陡峭的俯冲期间，通常会导致飞机及其飞行员的损失。耶格尔的成就不仅在于速度比声音快，还在于在受控和持续的飞行中做到了这一点，并以安全着陆告终。

这样一来，高超音速飞行的现状与1947年之前的超音速飞行并不完全不同。我们有以5马赫或5马赫以上的速度飞行的导弹，这是高超音速制度的开始，而从轨道返回的航天器，如航天飞机，在大气层中俯冲时可以达到高达25马赫的速度。但这两个例子都不符合耶格尔在72年前实现的“受控水平飞行”的要求。除非飞行器可以加速到5马赫，在一段时间内保持这种速度，然后完好无损地着陆（无论是否有人类乘员），否则我们不能说我们已经真正掌握了高超音速飞行。

那么，为什么在我们打破音障近一个世纪后，我们仍然没有实用的高超音速飞机呢？历史上最大的问题之一是车辆的制造材料。洛克希德SR-71“黑鸟”在以3马赫的速度飞行产生的强烈热量中挣扎，这最终要求它由昂贵且喜怒无常的钛和聚合物复合材料组合而成。以 5 马赫或更高速度飞行的飞行器会受到更恶劣的条件，材料科学花了几十年的时间才应对这一挑战。

借助现代复合材料和先进的计算机模拟，我们正在接近解决持续高超音速飞行的物理问题。随着俄罗斯最近宣布已将其Avangard高超音速滑翔机投入生产，小型飞行器以高马赫数长时间飞行已成为现实。说这是一个已解决的问题并不准确;美国高超音速滑翔机计划一直受到与飞行器在20马赫飞行压力下分崩离析有关的问题，该飞行器将飞行器表面加热到超过1,900摄氏度（~3,500华氏度）的温度。但是我们越来越近了，它不再是几十年前看起来无法克服的问题。

今天，剩下的最大挑战是推动高超音速飞行器在一段时间内进行水平飞行。最有前途的解决方案是超燃冲压发动机，这是一种依靠车辆本身的速度来压缩进入的空气进行燃烧的发动机。它们在机械上非常简单，从耶格尔爬进X-1驾驶舱的时候，人们就已经知道了它背后的物理原理。不幸的是，建造全尺寸高超音速超燃冲压发动机飞机的道路是漫长而艰难的，更不用说测试了。

紧紧挤压

在传统的涡轮喷气发动机中，轴流压缩机用于在环境空气进入发动机时增加压力和温度。然后，这种热的压缩空气与雾化燃料结合并在燃烧室中点燃，使其膨胀并变得更热。这些热气体以高速射流的形式通过发动机的排气喷嘴排出，但在通过涡轮机之前不会通过涡轮机，涡轮机产生运行压缩机的动力。涡轮喷气发动机的运转需要微妙的平衡，构成压缩机和涡轮级的众多转子和定子必须按照严格的规格和最高强度的材料制造。涡轮喷气发动机的最大速度也被限制在 3 马赫左右;如果速度更快，发动机根本跟不上进入进气口的空气压力。

相比之下，最基本形式的超燃冲压发动机根本不需要任何运动部件。通过发动机的空气仍然经历相同的压缩、燃烧和膨胀三个阶段;但不同的是，进入发动机的空气移动得如此之快，以至于进气口的几何形状足以将其压缩到为燃烧阶段做好准备的程度。由于没有压缩机提供动力，发动机也不需要涡轮级，因此膨胀的气体可以立即自由地离开喷嘴。由于空气在通过超燃冲压发动机时不需要减速，因此理论上这种发动机能够以高达 24 马赫的速度运行。

与超音速冲压喷气发动机一样，超燃冲压发动机有时被称为“飞行烟囱”，因为它们实际上是空心管，其中空气和燃料结合以产生推力。至少在理论上，这是一个非常简单的设计，它似乎好得令人难以置信。那么，为什么我们还在努力开发一个实用的版本呢？

快速上手

问题在于，超燃冲压发动机在以接近高超音速的速度移动之前，实际上不会工作。任何低于 4 马赫左右的速度，并且进入的空气移动速度不够快，无法压缩到发动机的进气口内。因此，到目前为止，超燃冲压发动机的测试主要局限于将它们安装在常规火箭的前部，进行一次性测试，最终以发动机的破坏而告终。这是一种缓慢而昂贵的发动机开发方式，并且在阻碍实际的超燃冲压发动机开发方面发挥了重要作用。

因此，虽然早在 1950 年代就有人研究超燃冲压发动机技术，但直到 1991 年苏联才成功测试了超燃冲压发动机技术。即便如此，它也是一个相当有限的概念证明。十多年后的2004年，美国宇航局（NASA）才真正在X-43的实用超燃冲压发动机动力飞行器方面取得了重大进展。

这架无人驾驶飞机与飞马座火箭的改进版本配对，并从B-52轰炸机的底部发射，就像商用空中发射的轨道飞行器一样。在与助推火箭分离后，X-43发射了自己的超燃冲压发动机十秒钟，加速到9.6马赫。该计划取得了圆满成功，X-43仍然保持着有史以来飞行速度最快的飞机的记录。

最先进的技术

尽管距离X-43最后一次飞行已经过去了15年，但高超音速超燃冲压发动机开发的前沿并没有取得太大进展。2008 年，美国计划建造一架将涡轮喷气发动机的低速性能与冲压式喷气发动机和超燃冲压发动机的 3+ 马赫能力相结合的飞机;这意味着测试仍然依赖于复杂而昂贵的空中发射计划。

在美国，X-43计划的直接继任者是波音X-51 Waverider。X-51的开发始于2005年，就在X-43以破纪录的9.6马赫飞行一年后。事实上，X-51 使用的发动机最初是为 X-43 的后期变体设计的，该变体被取消以支持开发更新的车辆。

X-51 于 2010 年首飞，但由于随后的多次失败，直到 2013 年才进行完全成功的测试。在那次飞行中，它能够保持 5.1 马赫的速度，直到发动机的燃料耗尽（大约 210 秒），之后飞行器溅入太平洋。它的飞行速度可能不比它的前身快，但X-51证明了它可以飞行更长的时间。

据报道，中国还在研制几种超燃冲压发动机动力飞行器，甚至可能使用火箭-超燃冲压发动机混合推进系统的航天器。不幸的是，除了中国媒体报道的少数试飞之外，关于这些计划的公开信息很少。最近，中国媒体报道了“星空-2”的成功飞行，通常认为其设计类似于X-51,2018年8月。官员们声称，这辆车的最高速度达到了6马赫，并在动力下飞行了400多秒。如果这些说法是准确的，那么它将以相当大的优势击败美国同行。

未来

为了使高超音速飞机真正实用，它需要能够在自己的动力下升空，并在空中平稳过渡到高超音速发动机。洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）为其下一代SR-72侦察机提出了这样一个系统，他们称之为基于涡轮机的联合循环（TBCC）。它由涡轮喷气发动机和冲压式喷气发动机组成，共享一个共同的进气口和排气喷嘴，是 SR-71 发动机中使用的概念的演变。

虽然SR-72是否真的会像设想的那样被建造出来还有待商榷，但洛克希德·马丁公司已经准备好将TBCC发动机技术作为一个独立的项目来推进。甚至有传言说，他们已经建造并飞行了一架小型无人驾驶飞机进行飞行测试。但即使在最乐观的时间表下，这项研究也不会早于2020年代末生产出可行的车辆。

除了一些公众不知道的军事黑色项目外，到2030年，一架能够靠自己的力量达到5+马赫的实用飞机似乎是合理的。从莱特飞行器到迷人的格伦尼斯花了 44 年的时间，从那时起至少需要 80 年才能让实用的高超音速飞机飞上天空。考虑到我们仍在研究实用超音速飞机的细节以及成就的相对复杂性，历史可能会将其视为合理和必要的进步。

结论

超燃冲压发动机技术的使用可能会让我们以超过音速 10 倍的速度飞行，但它仍然是一项正在进行的工作。如前所述，只有 4 个国家成功开发了超燃冲压发动机技术。第一辆超燃冲压发动机动力车辆于1991年11月首飞，由俄罗斯开发。自超燃冲压发动机技术首次展示以来，已经过去了大约 27 年，但它仍然大规模地躲避着我们。

主要问题是需要额外的运载火箭来启动飞行，因为超燃冲压发动机只能在 5 马赫或更高的速度下产生有用的推力。空气摩擦和冲击波产生的热量是另一个问题。较差的推重比限制了加速度，飞机也需要相当大的尺寸才能承载一定的有效载荷。最重要的是，超燃冲压发动机技术的制造和测试成本非常高。大多数测试以测试车辆的完全歼灭而告终。

因此，虽然超燃冲压发动机技术可能看起来令人兴奋和有用，但至少在未来 10-15 年内，我们不太可能看到它。

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