前言上一篇介紹乘波體高超音速武器的文章里，筆者有介紹過美國的X-51A高超音速飛行器。這個飛行器在一票乘波體高超音速武器中與眾不同，它并非是使用彈道導彈那樣的固體火箭發(fā)射的，而是采用了吸氣式的進氣道和噴氣式發(fā)動機。不過這種發(fā)動機和我們目前任

前言

上一篇介紹乘波體高超音速武器的文章里，筆者有介紹過美國的X-51A高超音速飛行器。這個飛行器在一票乘波體高超音速武器中與眾不同，它并非是使用彈道導彈那樣的固體火箭發(fā)射的，而是采用了吸氣式的進氣道和噴氣式發(fā)動機。不過這種發(fā)動機和我們目前任何一種導彈的發(fā)動機都有較大差別。就拿我們的YJ-12反艦導彈來說，它采用的是沖壓發(fā)動機（ramjet），可以達到3馬赫以上；而X-51所代表的技術(shù)方向，則是沖壓發(fā)動機的頂配版——超燃沖壓發(fā)動機（Supersonic Combustion Ramjet）,速度是6馬赫打底，理論上限可達25馬赫。

超燃沖壓發(fā)動機原理

首先我們就看看什么是沖壓發(fā)動機，再看什么是超燃沖壓發(fā)動機。

沖壓發(fā)動機

沖壓發(fā)動機，其實就是省去了燃氣渦輪和壓氣機的噴氣式發(fā)動機。沖壓發(fā)動機其實是軸流式渦輪噴氣發(fā)動機演變而來。軸流式渦輪噴氣發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)由一個外殼構(gòu)成內(nèi)涵道，包裹數(shù)級壓氣機葉片和渦輪葉片，渦輪和壓氣機由一根傳動軸連接；空氣經(jīng)過壓氣機后被壓縮，在渦輪前的燃燒室與噴出的油混合燃燒，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，廢氣從尾部噴出；渦輪帶動壓氣機繼續(xù)吸氣并壓縮，這樣就完成了一個可持續(xù)的循環(huán)。

但是這種發(fā)動機當飛行速度達到3馬赫當時候，效率就會變得極為低下；因為氣流要想進入壓氣機，首先必須從超音速減速到亞音速，那么為了給超音速氣流減速，就必須在進氣口外，以及進氣喉道中設置多個斜激波進行減速。早期采用的是可調(diào)的激波錐，比較有代表的就是機頭進氣的米格-21；后來又出現(xiàn)了矩形進氣道，進氣道內(nèi)設置可調(diào)隔板來調(diào)整激波角度；然而隨著速度的增加，給氣流減速也越來越困難，不得不在發(fā)動機內(nèi)設置多個波系，比如SR-71，就有多達6個波系，而且氣流減速到亞音速的行程也越來越長，發(fā)動機的進氣喉道越長重量也越大。所以隨著飛行器飛行速度的增加，渦輪噴氣式發(fā)動機的設計也越來越復雜。

而沖壓發(fā)動機，在高馬赫數(shù)下卻可以很好的解決氣流減速的問題。在亞音速下，壓氣機對氣流的增壓作用很明顯，而超音速下隨著馬赫數(shù)的增長，進氣道本身對氣流的增壓作用就強，到了1.2~1.4馬赫時，進氣道的增壓作用和壓氣機幾乎相同；而到了3馬赫以上時，進氣道對氣流的增壓比達到40:1，遠遠超出了壓氣機的效率。所以對于高馬赫數(shù)飛行器，完全可以去掉，壓氣機和燃氣渦輪結(jié)構(gòu)，通過進氣道截面積逐漸減小和進氣道內(nèi)的激波來實現(xiàn)對氣流的減速壓縮，并采用火箭上常用的拉瓦爾噴管增加廢氣的噴出速度。于是沖壓式發(fā)動機就變成了這個樣子：

不過由于沖壓發(fā)動機在亞音速下無法工作，低馬赫數(shù)下總壓恢復系數(shù)非常低，一般不會工作在2馬赫以下，所以它不會單獨出現(xiàn)在飛行器上，一般是要搭配一個渦輪噴氣發(fā)動機，或者火箭發(fā)動機來配合使用。比如SR-71黑鳥的J-58發(fā)動機，就是一種渦輪機組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動機，在2.5馬赫下，工作在渦輪噴氣狀態(tài)，2.5-3.2馬赫下，工作在沖壓發(fā)動機狀態(tài)。而現(xiàn)代的沖壓式反艦導彈，直接采用火箭發(fā)動機，先將導彈加速到2馬赫以上，再開啟沖壓發(fā)動機進行循環(huán)，使導彈可以加速到3馬赫以上。鷹擊-12，P-10/布拉莫斯，雄風-3反艦導彈均屬于此類設計。

超燃沖壓發(fā)動機

那么此時的沖壓發(fā)動機能不能進一步將導彈提高到5馬赫以上，成為一種高超音速武器呢？很遺憾的是，這種將氣流減速為亞音速再壓縮的沖壓發(fā)動機，理論上在超過5馬赫后，受材料耐溫極限的限制，進氣道不能將高超聲速來流壓縮到適合燃燒的亞聲速了。而且即便可以用這樣的材料，將5馬赫以上的氣流減速到亞音速，付出的阻力代價也是巨大的，現(xiàn)有的碳氫燃料很難滿足這樣的要求。而如果燃燒室可以直接利用超音速氣流進行點火，那么就不存在以上問題了；于是一種新的沖壓發(fā)動機被提出，那就是——超壓沖燃發(fā)動機，英文是Supersonic Combustion Ramjet，也被簡稱為Scramjet。

超壓沖燃發(fā)動機與沖壓發(fā)動機都沒有壓氣機和燃氣渦輪，但是具體還是有區(qū)別的，主要差別在于進氣道-燃燒室這段的結(jié)構(gòu)。它要捕捉更多的空氣，并且要有更高的壓縮比，因此看起來超燃沖壓的進氣口和燃燒室進口的截面積比值更大一些，看起來更像一個喇叭形；超燃沖壓發(fā)動機進氣口的幾個關(guān)鍵指標，是空氣流量捕獲系數(shù)、總壓恢復系數(shù)、出口流場品質(zhì)以及較高的抵抗燃燒形成高壓的能力(抗反壓能力)等性能。如果不能達到要求，就不能實現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)。

此外，超燃沖壓發(fā)動機的另一個關(guān)鍵技術(shù)就是如何實現(xiàn)穩(wěn)定的超音速燃燒。這個瓶頸是過去幾十年噴氣式發(fā)動機一直堅持要把氣流減速到亞音速后在進入燃燒室點火的一個原因。由于超音速氣流的不穩(wěn)定性，而且在燃燒室內(nèi)存在反射激波的耦合作用，這些都要考慮在內(nèi)，否則很難實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，這個難度相當于在臺風下點燃一根火柴；實現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何設計燃燒室的幾何形狀和截面積，以及選取合適噴油位置。

亞/超雙模態(tài)沖壓發(fā)動機

超燃沖壓發(fā)動機的收益十分明顯，那就是它可以維持6～25馬赫的飛行速度。當使用碳氫燃料時，理論上最大飛行速度能達到8馬赫；而使用氫燃料則可以突破10馬赫，理論最大速度25馬赫。不過超燃沖壓發(fā)動只能在高于5馬赫的狀態(tài)下啟動，所以真正投入使用的，是亞音速/超音速燃燒的雙模態(tài)沖壓發(fā)動機。也就是說在小于5馬赫時，超燃沖壓發(fā)動機是無法啟動的。因此只能先讓讓亞音速燃燒的沖壓發(fā)動機先工作，加速到接近5馬赫時開啟超燃模塊進氣道，實現(xiàn)超音速燃燒。

中美俄等國的超燃沖壓技術(shù)的發(fā)展

美國

超燃沖壓發(fā)動機的難度無疑是非常高的。雖然早在80年代， NASA就已經(jīng)開始了超燃沖壓發(fā)動機和飛行器的研究，但是首個超燃沖壓飛行器的試飛，已經(jīng)21世紀的事情。2002年美國NASA研制的X-43A高超音速飛行器是第一個使用了超燃沖壓發(fā)動機的飛行器，采用了乘波體的構(gòu)型，不過以失敗告終；而2004再次發(fā)射時，持續(xù)了11秒的飛行中到達6.8316馬赫的速度，創(chuàng)造了新的世界紀錄。在2004年的最后一次試射中，更是短暫達到了9.8馬赫的極速，這也是迄今維持吸氣式發(fā)動機試飛中創(chuàng)下的一個記錄。

而2005年12月試射的Hyfly則是一種軸對稱形狀，采用雙模發(fā)動機的高超音速飛行器，計劃由火箭助推器將其加速到3.5馬赫后在啟動雙模態(tài)發(fā)動機工作，加速到6馬赫。該飛行器在5.5馬赫下維持了11秒飛行。

但以上的驗證機因為都無法維持長時間的穩(wěn)定飛行，所以根本無法應用到實際的作戰(zhàn)武器中；不過因為積累了足夠的經(jīng)驗，美國打算開發(fā)一種新的乘波體+雙模沖壓發(fā)動機的高超音速武器。這就是X-51/X-51A。該項目從2005年啟動，2013年5月最后一次飛行試驗中，X-51A成功以5.1倍聲速飛行了約3.5 min，飛行距離距離將近500km。雖然速度遠不及之前的X-43和Hyfly，但這種穩(wěn)定可持續(xù)的飛行，才是軍方所需要的。不過在這之后，盡管美國提出了HSSW計劃（高速打擊武器）。但長達數(shù)年的時間都沒有重新試射X-51A，一直到中國的乘波體高超音速武器試射成功，俄羅斯“匕首”“先鋒”高超音速武器宣布服役，在高超音速武器的進度上已經(jīng)被中俄反超，美國的DARPDA才宣布將在2019年同時試驗兩種高超音速武器以應對中俄的威脅，其中一種是吸氣式高超音速巡航導彈，一種類似俄羅斯“匕首”空射彈道導彈那樣的空基火箭滑翔武器。

不過呢，雖然美國進度落后，我們也不能小看。因為美國的路線是正確的，乘波體吸氣式高超音速武器自身不攜帶氧化劑，因此以較小的體積就可以獲得很高的射程，并且適合戰(zhàn)斗機攜帶、發(fā)射，因此很適合作為戰(zhàn)術(shù)打擊武器。比起需要用彈道導彈來發(fā)射的高速滑翔彈頭，發(fā)射成本低了許多。

俄羅斯

俄羅斯對超燃沖壓發(fā)動機的研究也是始于80年代，在90年代初就實現(xiàn)了高空試驗臺的點火。同樣地，俄羅斯對高超音速武器的研究也是兩條路線，一種是軸對稱式的，一種是錐導師乘波體。不過也都處于試驗形式，沒有真正首飛。

我們知道，世界上第一種超過3倍音速的反艦導彈，P-10，就是俄羅斯弄出來的，后來拿到印度去賣了個不錯的價錢，這就是布拉莫斯。布拉莫斯采用的是頭部進氣道沖壓發(fā)動機。在這個基礎上，2018年俄羅斯首次試飛了超燃沖壓發(fā)動機的“鋯石”反艦導彈，據(jù)稱這種導彈的最大速度在6～8馬赫。從外形來看，鋯石與美國的X-51A頗為相似，也是乘波體，而非像布拉莫斯那樣軸對稱的進氣結(jié)構(gòu)。這款導彈預計在2019年服役。

到目前為止，試飛的超燃沖壓發(fā)動機，都是在6～8馬赫這個區(qū)間。這個問題主要出在碳氫燃料上。碳氫燃料的鍵能基本上決定了熱值。而氫燃料則不然。采用液氫做燃料的超燃沖壓發(fā)動機理論上可以飛到25馬赫（只要耐熱材料夠用）。于是，在這個領(lǐng)域上的后起之秀——中國，開始了自己獨特的道路。

中國

和我國的各種由彈道導彈發(fā)射的水漂彈相比，我國的雙模沖壓高超音速飛行器的研究顯得低調(diào)了許多。我國的首個吸氣式乘波體高超音速飛行器的首飛是在2011年，并且在2014年獲得圓滿成功。可以說到了這里，我們的進度和美國的X-51A已經(jīng)相差無幾了。由于這項技術(shù)的重大突破，航天三院301所的陸紅總師也因此拿到了2016年度的國家科技進步特等獎。

從外形上看，這款乘波體高超音速武器比較符合楔錐乘波體的構(gòu)造，進氣道設計也非常獨特，和美國的X-51A和俄羅斯的鋯石都有較大不同。可以說我們在這個領(lǐng)域的研究能力已經(jīng)邁入自由王國。

而在去年的中國國際展覽中心舉行的北京國際軍民融合裝備展覽會上，國防科技大更是高調(diào)展出了一種臨近空間的高超音速試飛平臺——凌云。凌云是一種軸對稱式的雙模沖壓發(fā)動機高超音速飛行器，與美國曾經(jīng)研究過的Hyfly非常相似，這次敢在軍民融合展覽會上展出，說明我們在一路線上的研究已經(jīng)比較成熟，而且這絕對不代表我們的最高水平，因為按照慣例敢拿出來民用和外貿(mào)的肯定不是最先進的。

你以為這就完了嗎？沒有！2018年12月，中國空氣動力研究院在官網(wǎng)宣布，液氫燃沖壓發(fā)動機風洞試驗點火成功，點火時的速度達到了10馬赫，持續(xù)了5ms。之前我已經(jīng)介紹過，液氫燃料的超燃沖壓發(fā)動機可以在6～25馬赫下工作，只要耐熱材料扛得住。這次我們顯然是不滿足于碳氫材料帶來的速度極限，讓吸氣式高超音速飛行器開始向10馬赫甚至15馬赫，20馬赫邁進！這可是了不得的基礎研究上的突破。有了這個風洞，我們研發(fā)出液氫燃料的雙模沖壓發(fā)動機也就指日可待。

其他國家

根據(jù)美國蘭德智庫給出的報告，超燃沖壓領(lǐng)域中美俄占據(jù)前三，而印度、法國緊隨其后，其次是澳大利亞、日本和歐盟。法國人在超壓沖燃領(lǐng)域的研究在90年代就已經(jīng)開展，當時與俄羅斯合作，進行了2次飛行，達到了5.8馬赫的速度；不過當時法國人希望的是開發(fā)一種單級入軌飛行器，將火箭和超燃沖壓發(fā)動機結(jié)合起來，做成一種可以重復利用的軌道運輸機。

近些年，眼看著中美俄在高超音速武器上的進步和實用化趨勢，法國又有些坐不住了，這次他們務實了一些，打算發(fā)展的是載荷較低的吸氣式高超音速武器。和其他的歐洲兄弟相比，法國的基礎比較扎實，要想研究出來相對容易一些。

2019年6月，印度DRDO成功試射了本國的吸氣式高超音速武器。這種武器的外形與鋯石比較相似，也是乘波體結(jié)構(gòu)，不知道是不是得到了俄方技術(shù)人員的支持。因為布拉莫斯基本上就是俄羅斯P-10的印度國產(chǎn)版，獨立搞出雙模沖壓發(fā)動機的可能性不大。所以應該就是所謂的“布拉莫斯II”，也就是鋯石的出口版。

日本的超燃沖壓式高超音速武器研究，始于1980年年代。不過受到和平憲法限制，以及本國實在沒有這方面需求，一直都沒有進行過驗證飛行。不過最年防衛(wèi)省已經(jīng)已經(jīng)宣布，將要研發(fā)本國的吸氣式高超音速武器，預計在2025年3月就可開始試生產(chǎn)，并在2026年3月正式服役。

總結(jié)

從渦噴發(fā)動機到?jīng)_壓發(fā)動機，再到超燃沖壓發(fā)動機，人類吸氣式飛行器的速度從2馬赫突破3馬赫，再到10馬赫，正是印證了那句名言：“天下武功唯快不破”，面對已經(jīng)成熟的末端反導和日趨完善的中段反導，超燃沖壓式的高超音速武器有足夠的自信來突破這種防御系統(tǒng)的封鎖，也必然刺激催生新的反導系統(tǒng)的概念。