烈火雄心耀空天

高超聲速飛行器是指飛行速度大于5馬赫的飛行器，是航空技術與航天技術的有機融合，被喻為繼螺旋槳、噴氣推進飛行器之后“世界航空史上的第三次革命”。國外高超聲速飛行器技術研發已有50多年的歷史，但迄今還沒有發展出實用型號，而高超聲速推進系統技術就是實用化的最大障礙。

需求拉動技術

新型吸氣式高超聲速飛行器要能夠實現在普通機場以水平方式起飛，在大氣層外高超聲速飛行，并通過低地球軌道返回大氣層，最后水平降落。期間要具備在高度100千米以下的大氣層中持續高超聲速飛行，執行偵察、運輸和打擊任務，而且在不需要航天發射場的情況下，直接進入低地球軌道，完成航空航天任務，并可返回重復使用。由此可見，高超聲速、常規起降和可重復使用成為三大要點，也就是高超聲速飛行器對動力系統提出的核心要求。

目前人類裝備的火箭發動機已經能夠實現高超聲速飛行，常規運載火箭和彈道導彈都可以達到數馬赫乃至數十馬赫的最大速度。但常規火箭發動機體積巨大，必須采用航天發射場發射，不能重復使用。而高超聲速飛行器需要在地面零高度零速度加速，依靠自身升力而不是推力起飛，并在10千米至100千米高度間高超聲速飛行。需要注意的是，飛行在30千米高度以下時，即傳統飛機空域，含氧量較高，大氣密度較大，而30千米以上高度目前基本只有航天器才能飛行，大氣稀薄，氧氣含量少。這就要求高超聲速動力系統能夠兼容兩種截然不同的飛行環境。

既然高超聲速飛行器活動空域和速度范圍是傳統航空器和航天器的交疊部分，那么組合采用航空發動機和航天發動機的動力方案就自然而然成為高超聲速飛行器的首選。

航空渦輪發動機的燃燒效率好，可以有效利用空氣中的氧氣，零速度起飛且加速性好，但不能在30千米以上高度飛行，高速性差，基本不能在超過2.5馬赫的條件下工作，因此只可作為高超聲速發動機的助推動力，在達到一定速度和高度時關閉，從而將工作轉交給其他動力系統，這就是渦輪基高超聲速組合動力，目前正在研制的主要有渦輪基沖壓發動機和渦輪基震爆發動機。

火箭發動機的優點是在任何高度和任何速度下都能產生較大推力，適合高超聲速飛行，但重量大，結構復雜，無法利用空氣中的氧氣，故需要攜帶大量氧化劑。不過可以考慮與其他發動機組合，以實現比傳統運載火箭更有效率的飛行，這就是火箭基高超聲速組合動力系統，目前正在研制的主要有火箭基沖壓發動機和液化空氣循環發動機。

渦輪基沖壓發動機

渦輪基沖壓發動機就是將航空渦輪發動機和亞燃／超燃沖壓發動機進行組合。航空渦輪發動機和沖壓發動機都需要大氣中的氧氣助燃，而高度一旦超過30千米就很難實現完全燃燒，所以渦輪基沖壓發動機一般用于30千米以下高度的高超聲速飛行。其中航空渦輪發動機可以零速度啟動而高速性能較差，沖壓發動機不能零速啟動而高速性能好，渦輪基沖壓發動機實現了兩者的優點組合，代價是設計較復雜。目前，美國、日本、印度等國都在發展渦輪基沖壓發動機技術，預計2025年至2030年實際應用。

渦輪基沖壓發動機的工作原理是：在起飛和低速階段，發動機以渦輪／渦扇噴氣方式工作；當飛行器速度達到沖壓發動機工作速度后，沖壓發動機開始工作，隨著速度的增加，渦輪發動機“移交”推力；當速度達到沖壓發動機的典型工作速度時，渦輪發動機關閉，沖壓發動機將飛行器加速實現高超聲速持續巡航，減速時工作程序相反。

沖壓發動機可分為亞燃沖壓發動機和超燃沖壓發動機，亞燃沖壓發動機必須將進氣流速降低到音速以下才能實現穩定燃燒，而超燃沖壓發動機則可以在燃燒室進氣流速超過音速情況下穩定工作，但啟動速度需達到5馬赫以上。能夠在亞燃和超燃工作狀態之間轉換的沖壓發動機就稱作雙模沖壓發動機。如果高超聲速飛行器采用渦輪基超燃沖壓發動機，在渦輪發動機關閉之后(一般在3馬赫左右)，雙模沖壓發動機本身也需要進行一次工作狀態的轉換，在亞燃工作狀態下將飛行器推進至6馬赫，然后轉入超燃工作狀態，實現更高的飛行速度。

渦輪基沖壓發動機有并聯和串聯兩種組合方式。并聯方式一般可以使渦輪發動機與沖壓發動機分別擁有進氣道，可以針對不同的工作模態，分別設計進氣道方案，為兩種不同發動機提供各自所需的最佳進氣流場。然而，由于流道共用較少，飛行器的迎風面積必將增大，導致阻力增大，結構重量增加，因而降低發動機結構重量，提高飛行器容積利用率是其主要困難。如果采用串聯方案，一般渦輪發動機串聯在沖壓發動機之前，在高速狀態下，氣流繞過渦輪發動機，進入沖壓發動機，這樣結構比較緊湊，甚至可以將渦輪發動機的加力燃燒室直接改進為沖壓發動機。但渦輪發動機與沖壓發動機對于進氣速度、壓力和流場的要求不同，如何設計和調節進氣道的參數，實現兩類發動機的高效工作是其技術難點。

渦輪基爆震發動機

爆震是一種激波與燃燒波相互耦合并以超聲速傳播的燃燒形式，可以產生極高的溫度和壓力，因而其具有能量釋放速率快、熱力循環效率高等優點。根據爆震燃燒組織形式的不同，可分為脈沖爆震發動機、連續爆震發動機等類型。

脈沖爆震發動機的結構比較簡單，其主要構件只有一個爆震管和一個推力噴管，其工作循環分為充氣、爆震和排氣3個過程：首先，打開進氣閥門給爆震管充入可燃混合氣體；然后，當可燃混合氣體充入到一定程度時，關閉進氣閥門并觸發爆震管封閉端的點火裝置，迅速形成穩定爆震向噴管傳播；最后，打開噴管，爆震波向外界大氣噴出，產生推力。每經歷一次這樣的工作循環，發動機就產生一次推力脈沖，脈沖爆震發動機中的“脈沖”即由此而來。

渦輪基脈沖爆震發動機同樣是結合渦輪發動機在中低速的效率優勢和脈沖爆震發動機在高速的效率優勢，一般采用串列方式，將脈沖爆震發動機設置于渦扇發動機的外涵道。不過這樣的方案由于前面有渦扇發動機的風扇阻擋，高速性能會受到影響，所以強調高速性能的組合方案一般是在渦輪發動機外面再設置一條環形流道，用于脈沖爆震燃燒。

連續爆震發動機采用螺旋爆震燃燒方式，爆震波傳播方向與氣流進入方向垂直，通過橫向爆震波燃燒和縱向爆震波傳遞來實現推力。渦輪基連續爆震發動機可以將連續爆震發動機直接融入渦扇發動機的外涵道，讓爆震波沿著外涵道的圓周流道傳播，產生推力，也可以在渦輪發動機外設置獨立的同心流道。

火箭基沖壓發動機

渦輪發動機單位空氣流量或單位燃料重量產生的推力在所有航空航天器動力里是最高的，即比沖最高。但渦輪發動機對氧氣的需求較大，故推力對于空氣密度很敏感，一般渦輪發動機的高空推力(此時空氣稀薄)僅僅是海平面推力的百分之十左右。而火箭發動機雖然比沖較低，但本身不受空氣密度的影響，故火箭基組合動力多被在30千米高度以上飛行的高超聲速飛行器選用。但火箭發動機需要飛行器同時提供氧化劑和燃料，導致飛行器體積大、航程低，這也成為需重點解決之處，目前應用前途比較廣泛的有火箭基沖壓發動機和液化空氣循環發動機。

火箭基沖壓發動機是將引氣火箭和沖壓發動機技術相結合的新型熱力學循環發動機系統，一般由進氣道、混合／擴壓室、燃燒室和噴管組成，其中發動機噴管放置在混合／擴壓室中，其工作模態為引射模態、沖壓模態(亞燃，超燃沖壓模態)和純火箭模態。

起飛和低速狀態時(3馬赫以下)，發動機采用引射模態工作?；鸺l動機的燃氣噴射進混合／擴壓室，同時將外界空氣引進混合室。由于火箭發動機的燃氣中混合著大量未燃燒的燃料，隨著燃氣與富含氧氣的外界空氣摻混，再進行補燃，從而利用大氣中的氧氣，減少自身攜帶氧化劑的消耗量。但是在飛行器速度較低時，進氣量很小，遠不如渦輪發動機數級壓氣機帶來的進氣流量?；鸺鶝_壓發動機推力隨著速度的增加而增加，這主要源于速度增加帶來的沖壓效應，速度越快，沖壓進進氣道的空氣量越多，當速度達到3～6馬赫時，發動機進入亞音速沖壓燃燒模態，此時沖壓發動機形成工作條件，火箭發動機工作在高復燃狀態，等于是一個燃料噴射器。當速度提高到6～7馬赫時，發動機進入超燃工作狀態。繼續加速達到12～15馬赫時，關閉進氣道，飛行器進入純火箭推進模態。

目前各類火箭基沖壓發動機技術都在探索研究之中，不過國外在火箭基亞燃／超燃沖壓發動機的研制上投入最多，因而研制進展也最快。美國、俄羅斯、法國等國在系統方案和概念研究的基礎上，經歷地面直聯式和自由射流試驗，目前已進入應用研究，即飛行試驗階段。

液化空氣循環發動機

火箭基沖壓發動機的主要問題是在低空氧氣密度較大的時候，由于尚未加速到沖壓發動機的工作速度，而火箭燃氣引氣量太小，于是推力主要依靠火箭發動機燃燒自身攜帶的氧化劑和燃料，對低空氧氣的利用不夠充分。到了高空之后，飛行器的速度達到火箭發動機的工作速度，此時氧氣密度已經遠遠不如低空。解決這個矛盾的關鍵就在于把低空的氧氣儲存起來，到了高空再用。

液化空氣循環發動機在火箭基沖壓發動機基礎上加上空氣液化系統，在發動機工作過程中液化大氣中的氧氣，存儲供氫氧火箭發動機工作時使用，自身只攜帶少量甚至不帶氧化劑，因而經濟性較好。液化空氣循環發動機在火箭基發動機諸多方案中，對空氣中的氧氣利用效果最理想，但關鍵在于空氣液化系統的研制難度較大。目前在第四代隱形戰斗機上已經實現了利用分子篩制造氧氣和掛架彈射用氮氣，而液化空氣可以通過加壓來實現，因而在理論層面上為高超聲速巡航發動機制造空氣液化系統完全行得通。

展望未來

人類已經可以翱翔天空，脫離地球，但在航空器和航天器飛行高度之間，還存在著巨大的開發潛力和“空白空域”。繼制空權被人類認可之后，制天權也登上了歷史舞臺，如何使自己在未來空天競爭中處于不敗之地，是擺在每個航空航天強國面前的關鍵任務。在人類向近地空間和高超聲速飛行器進軍的偉大進程中，高超聲速發動機系統必將使人類的壯志雄心幻化成璀璨的光芒，照耀這“空之上、天之下”。