在超音速下燃燒

戴河

為了真正實現高超音速飛行器，必須研制出能在這種條件下工作的先進動力系統，這就是革命性的超音速燃燒沖壓發動機技術。在這個方面，美國顯然走在了前面。

沖壓發動機

說起高超音速技術，必提超燃沖壓發動機已經是常態。這種發動機要求燃燒室內的燃料在超音速氣流中保持燃燒，被形容為“在狂風中點燃一根蠟燭”。作為超燃沖壓發動機技術的基礎，美國使用渦輪噴氣和亞音速燃燒的傳統沖壓發動機也接近了高超音速的門檻。

美國通過武器創新研究、RIM-8“黃銅騎士”等項目掌握了沖壓發動機技術，美國空軍又在1976年開始研制先進戰略空射導彈。

這是一種使用沖壓發動機的中程戰略導彈，計劃用于替換AGM-69 SRAM導彈。它的射程480千米，設計速度超過馬赫數4.5，使用W69核彈頭。1979年導彈開始進行試飛，7次試飛中曾有一次在12000米高空達到馬赫數5.5的高速，跨過了高超音速的門檻。但由于美國國防預算的削減，以及AGM-86亞音速巡航導彈的成功，該項目最終于1980年取消。

但該技術顯示了傳統亞燃沖壓發動機的高超音速飛行潛力。雖然理論上亞燃沖壓發動機在高超音速飛行時需要將氣流減速到亞音速進行燃燒，會帶來更苛刻的高溫、高壓和氣動問題，但比之一直突破不大的超燃沖壓發動機，仍不是為一個臨時的過渡方案。20世紀90年代后美軍提出多個亞燃沖壓甚至渦輪噴氣發動機的高速導彈方案，正是這種思路發展的結果。

X- 15試驗機上的試驗

從理論上說，使用超燃沖壓發動機的高超音速飛行器顯然比助推-滑翔方式的高超音速飛行器具有更充沛的能量和更強大的機動能力，更高的平均速度也帶來壓縮了飛行時間。美國在超燃沖壓發動機領域投入了相當大的精力，試圖用先進吸氣式發動機作為高超音速機動飛行器甚至是單級入軌航天器的推進系統。

X-15試驗機是美國著名的試驗機，也是航空飛行速度記錄的長期保持者。它采用火箭發動機為動力，但也曾用于開展超燃沖壓發動機研究。超燃沖壓發動機最大的難點在于超音速氣流中的點火和穩定燃燒。X-15-A2飛機就攜帶了一個超燃沖壓發動機模型，主要用于檢驗地面超音速風洞的模擬結果是否可靠。X-15-A2進行了22次試飛，最后一次飛行中超燃沖壓發動機帶起的激波導致異常密度的熱流，1480攝氏度的高溫燒壞了腹鰭，導致X-15-A2再也沒能重上藍天。

美國海軍和約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室在1962年到1978年間還進行了名為超燃沖壓導彈（SCRAM）的秘密研究項目。SCRAM項目中研究人員使用MK12和MK10發射系統發射固體火箭助推的超燃沖壓發動機，先后試驗了超燃沖壓發動機在不同高度和馬赫數4、馬赫數5.3、馬赫數7.8和馬赫數10等多個速度下的飛行情況。試驗顯示，添加戊硼烷的甲基環戊二烯燃料的燃燒效率只略高于20%，而純戊硼烷燃料在馬赫數7時有可能產生凈推力。盡管應用物理實驗室的工程師們做了很多努力，但在70年代末、80年代初超燃沖壓發動機技術距離產生凈推力和加速度仍然遙遙無期，更不要說實際服役使用了。

國家空天飛機計劃及X- 30試驗機

進入20世紀80年代，美國總統里根提出了國家空天飛機（NASP）計劃，1985年項目正式立項。這是一種水平起降、使用超燃沖壓發動機推進的先進單級入軌航空航天器，堪稱美國高超音速飛行器的集大成者。

美國航空航天局準備為這個項目研制兩架X-30飛行器。X-30使用液氫燃料，機場跑道上啟動加速到一定速度后，作為主發動機的亞燃/超燃雙模沖壓發動機開始工作，達到高超音速后最終進入軌道。

在研制的近十年時間里，美國在高超音速飛行器的總體要求、設計方法和工具、氣動、材料和結構設計等多個方面取得了巨大的進步。但項目實際開始后，研究人員發現低估了先進多模發動機的難度，超燃沖壓發動機可能只能推動X-30加速到馬赫數 17左右，達不到入軌所需的第一宇宙速度。同時還面臨從機體超重到熱防護系統不過關等一系列技術難題。遺憾的是，它的單級入軌目標的難度太大，最終設計也沒有實現入軌能力。冷戰結束后美國國防預算削減，由于NASP的技術難度實在太大，尤其是項目超支嚴重，這個項目在1994年被取消。

盡管如此，它的液氫燃料超燃沖壓發動機已經進行了風洞模擬飛行，后來用于X-43A試驗機，成功進行了高超音速飛行試驗。

“獵鷹”組合循環發動機技術

“獵鷹”計劃最早是“從美洲大陸實施兵力運用與投送”的縮寫，源自美國NASA的Hypersoar和美國空軍的X-41通用氣動飛行器項目的聯合。

1998年提出的Hypersoar是一個高超音速乘波體設計方案，使用火箭基組合循環發動機，它從機場跑道起飛并由發動機加速到馬赫數10和約40千米高度后關機滑行到60千米高度，滑翔回落后在約40千米高度再次啟動發動機進行爬升，如此周而反復、打水漂式的高超音速跳躍不僅速度快，而且節省了燃料，同時降低了高超音速飛行的氣動加熱。

隨著冷戰的結束這些項目也都無疾而終。

最早“獵鷹”飛行器遠期目標是要研制有動力的可重復使用高超音速巡航飛行器，由水平起降速度超過馬赫數10的高超音速巡航飛行器投放通用氣動飛行器，對敵方目標進行打擊，它代表了美軍對快速精確的全球打擊能力的熱切追求。2004年由于美國國會的反對，“獵鷹”計劃從一個武器項目轉變為一個高超音速驗證項目，原來的高超音速武器系統改名為高超音速技術飛行器，通用氣動飛行器和增強型通用氣動飛行器分別改名為HTV-1和HTV-2，而HCV改名為HTV-3。

HTV-1是一種一次性的高超音速飛行器，升阻比超過2，原計劃要以馬赫數10的速度進行約800秒的高超音速飛行，但由于前緣曲率太高加熱嚴重，外加碳-碳復合材料制造工藝存在應力氣穴的問題。美國國防高級研究計劃局決定同意洛克希德-馬丁公司放棄HTV-1的制造和試驗，直接轉向HTV-2飛行器。HTV-2吸取了經驗教訓，前緣使用了低曲率的多片式設計，易于制造也降低了熱防護的設計難度，此外HTV-2設計的高超音速升阻比還提高到3.5以上，保證了更大的滑翔距離。HTV-2按計劃將進行了兩次飛行試驗，它使用“米諾陶”4火箭從范登堡空軍基地發射后，將滑翔數千千米抵達夸賈林環礁的里根靶場，飛行時間約半個小時，飛行中將進行了大攻角的俯仰和偏航機動，實現上千千米的橫向機動。

2010年4月22日HTV-2進行首次試驗，設計航程5890千米，但HTV-2飛行器以馬赫數22再入大氣層，但再入139秒后飛行器失去聯系，事后的初步調查認為出現飛行器的偏航超出預期，而自動飛行控制系統無力對此修正，導致飛行器翻滾失控自毀。美國國防高級研究計劃局稱，沒有必要對飛行器硬件或軟件進行重大改進，他們準備在第二次試驗中調整重心、減小攻角并加強控制襟翼，并利用反作用控制系統增大阻力。2011年8月11日美國進行了HTV-2的第二次試驗，但原計劃馬赫數20以上再入、總飛行時間長達30分鐘的試驗飛行再次在約9分鐘時失去聯系。有些分析根據飛行器外殼大部損毀推測，第二次飛行失利可能是飛行器過熱導致外殼燒蝕損壞，形成了意料之外的強大激波，導致飛行器失控墜落。

HTV-2試驗在兩次失敗后偃旗息鼓，美軍沒有進行更多飛行的計劃。

FaCET發動機是HYV-3X“黑燕”項目的子項目，將進行超燃沖壓發動機和進氣道匹配、組合循環發動機的工作狀態轉換、共用噴管等技術研究，并驗證三元進氣道的性能。“黑燕”取消后，FaCET改為模態轉換項目（MoTr）的合同，繼續發展先進渦輪基組合循環發動機。MoTr項目將驗證從渦輪噴氣到亞燃沖壓再到超燃沖壓馬赫數0-6范圍的模態轉換，為此它使用速度高達馬赫數3-4的高速渦噴發動機。

美國海軍的“高超音速攻擊導彈項目

美國海軍同樣進行了超燃沖壓發動機的研究，“高超音速攻擊導彈”（HyStrike）項目試圖研制一種速度馬赫數3.5～7、射程超過1300千米的高超音速導彈。該項目的特點在于它打算使用NASA格林研究中心提出的脈沖爆震發動機作為推進系統。不過脈沖爆震發動機還是全新的技術領域，而僅僅是高超音速的防熱問題就相當令人頭疼。美國海軍曾在文獻中提到，飛行器以馬赫數4飛行時表面溫度649℃，鈦合金和英科耐爾鎳合金還可以工作，而馬赫數6時溫度1538℃，馬赫數8更是高達3093℃，防熱問題非常棘手。人們雖然提出使用主動冷卻或是燒蝕防熱結構，但技術一直未能突破，HyStrike項目只好下馬。