鋯石價(jià)格（大國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)）

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(guò)美國(guó)的X-51A高超音速飛行器。這個(gè)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(dǎo)彈那樣的固體火箭發(fā)射的，而是采用了吸氣式的進(jìn)氣道和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)美國(guó)的X-51A高超音速飛行器。這個(gè)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(dǎo)彈那樣的固體火箭發(fā)射的，而是采用了吸氣式的進(jìn)氣道和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)這種發(fā)動(dòng)機(jī)和我們目前任何一種導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)都有較大差別。就拿我們的YJ-12反艦導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，它采用的是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（ramjet），可以達(dá)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(dòng)機(jī)的頂配版——超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（Supersonic Combustion Ramjet）,速度是6馬赫打底，理論上限可達(dá)25馬赫。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)原理

首先我們就看看什么是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，再看什么是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其實(shí)就是省去了燃?xì)鉁u輪和壓氣機(jī)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)其實(shí)是軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)演變而來(lái)。軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)外殼構(gòu)成內(nèi)涵道，包裹數(shù)級(jí)壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片，渦輪和壓氣機(jī)由一根傳動(dòng)軸連接；空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)后被壓縮，在渦輪前的燃燒室與噴出的油混合燃燒，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，廢氣從尾部噴出；渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)繼續(xù)吸氣并壓縮，這樣就完成了一個(gè)可持續(xù)的循環(huán)。

但是這種發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)飛行速度達(dá)到3馬赫當(dāng)時(shí)候，效率就會(huì)變得極為低下；因?yàn)闅饬饕脒M(jìn)入壓氣機(jī)，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(jìn)氣口外，以及進(jìn)氣喉道中設(shè)置多個(gè)斜激波進(jìn)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(jī)頭進(jìn)氣的米格-21；后來(lái)又出現(xiàn)了矩形進(jìn)氣道，進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)置可調(diào)隔板來(lái)調(diào)整激波角度；然而隨著速度的增加，給氣流減速也越來(lái)越困難，不得不在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)設(shè)置多個(gè)波系，比如SR-71，就有多達(dá)6個(gè)波系，而且氣流減速到亞音速的行程也越來(lái)越長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣喉道越長(zhǎng)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜。

而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在高馬赫數(shù)下卻可以很好的解決氣流減速的問(wèn)題。在亞音速下，壓氣機(jī)對(duì)氣流的增壓作用很明顯，而超音速下隨著馬赫數(shù)的增長(zhǎng)，進(jìn)氣道本身對(duì)氣流的增壓作用就強(qiáng)，到了1.2~1.4馬赫時(shí)，進(jìn)氣道的增壓作用和壓氣機(jī)幾乎相同；而到了3馬赫以上時(shí)，進(jìn)氣道對(duì)氣流的增壓比達(dá)到40:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了壓氣機(jī)的效率。所以對(duì)于高馬赫數(shù)飛行器，完全可以去掉，壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)進(jìn)氣道截面積逐漸減小和進(jìn)氣道內(nèi)的激波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)機(jī)就變成了這個(gè)樣子：

不過(guò)由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在亞音速下無(wú)法工作，低馬赫數(shù)下總壓恢復(fù)系數(shù)非常低，一般不會(huì)工作在2馬赫以下，所以它不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)在飛行器上，一般是要搭配一個(gè)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或者火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)配合使用。比如SR-71黑鳥(niǎo)的J-58發(fā)動(dòng)機(jī)，就是一種渦輪機(jī)組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)狀態(tài)。而現(xiàn)代的沖壓式反艦導(dǎo)彈，直接采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，先將導(dǎo)彈加速到2馬赫以上，再開(kāi)啟沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)，使導(dǎo)彈可以加速到3馬赫以上。鷹擊-12，P-10/布拉莫斯，雄風(fēng)-3反艦導(dǎo)彈均屬于此類設(shè)計(jì)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

那么此時(shí)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能不能進(jìn)一步將導(dǎo)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(dòng)機(jī)，理論上在超過(guò)5馬赫后，受材料耐溫極限的限制，進(jìn)氣道不能將高超聲速來(lái)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(jià)也是巨大的，現(xiàn)有的碳?xì)淙剂虾茈y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(jìn)行點(diǎn)火，那么就不存在以上問(wèn)題了；于是一種新的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)被提出，那就是——超壓沖燃發(fā)動(dòng)機(jī)，英文是Supersonic Combustion Ramjet，也被簡(jiǎn)稱為Scramjet。

超壓沖燃發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都沒(méi)有壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪，但是具體還是有區(qū)別的，主要差別在于進(jìn)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(lái)超燃沖壓的進(jìn)氣口和燃燒室進(jìn)口的截面積比值更大一些，看起來(lái)更像一個(gè)喇叭形；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，是空氣流量捕獲系數(shù)、總壓恢復(fù)系數(shù)、出口流場(chǎng)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(dá)到要求，就不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)。

此外，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超音速燃燒。這個(gè)瓶頸是過(guò)去幾十年噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一直堅(jiān)持要把氣流減速到亞音速后在進(jìn)入燃燒室點(diǎn)火的一個(gè)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，這個(gè)難度相當(dāng)于在臺(tái)風(fēng)下點(diǎn)燃一根火柴；實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)使用碳?xì)淙剂蠒r(shí)，理論上最大飛行速度能達(dá)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(guò)超燃沖壓發(fā)動(dòng)只能在高于5馬赫的狀態(tài)下啟動(dòng)，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(dòng)機(jī)。也就是說(shuō)在小于5馬赫時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是無(wú)法啟動(dòng)的。因此只能先讓讓亞音速燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)先工作，加速到接近5馬赫時(shí)開(kāi)啟超燃模塊進(jìn)氣道，實(shí)現(xiàn)超音速燃燒。

中美俄等國(guó)的超燃沖壓技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)

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

而2005年12月試射的Hyfly則是一種軸對(duì)稱形狀，采用雙模發(fā)動(dòng)機(jī)的高超音速飛行器，計(jì)劃由火箭助推器將其加速到3.5馬赫后在啟動(dòng)雙模態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)證機(jī)因?yàn)槎紵o(wú)法維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定飛行，所以根本無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的作戰(zhàn)武器中；不過(guò)因?yàn)榉e累了足夠的經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)打算開(kāi)發(fā)一種新的乘波體+雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超音速武器。這就是X-51/X-51A。該項(xiàng)目從2005年啟動(dòng)，2013年5月最后一次飛行試驗(yàn)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(yuǎn)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(guò)在這之后，盡管美國(guó)提出了HSSW計(jì)劃（高速打擊武器）。但長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間都沒(méi)有重新試射X-51A，一直到中國(guó)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(jìn)度上已經(jīng)被中俄反超，美國(guó)的DARPDA才宣布將在2019年同時(shí)試驗(yàn)兩種高超音速武器以應(yīng)對(duì)中俄的威脅，其中一種是吸氣式高超音速巡航導(dǎo)彈，一種類似俄羅斯“匕首”空射彈道導(dǎo)彈那樣的空基火箭滑翔武器。

不過(guò)呢，雖然美國(guó)進(jìn)度落后，我們也不能小看。因?yàn)槊绹?guó)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(jī)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(dǎo)彈來(lái)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(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也是始于80年代，在90年代初就實(shí)現(xiàn)了高空試驗(yàn)臺(tái)的點(diǎn)火。同樣地，俄羅斯對(duì)高超音速武器的研究也是兩條路線，一種是軸對(duì)稱式的，一種是錐導(dǎo)師乘波體。不過(guò)也都處于試驗(yàn)形式，沒(méi)有真正首飛。

我們知道，世界上第一種超過(guò)3倍音速的反艦導(dǎo)彈，P-10，就是俄羅斯弄出來(lái)的，后來(lái)拿到印度去賣了個(gè)不錯(cuò)的價(jià)錢，這就是布拉莫斯。布拉莫斯采用的是頭部進(jìn)氣道沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，2018年俄羅斯首次試飛了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的“鋯石”反艦導(dǎo)彈，據(jù)稱這種導(dǎo)彈的最大速度在6～8馬赫。從外形來(lái)看，鋯石與美國(guó)的X-51A頗為相似，也是乘波體，而非像布拉莫斯那樣軸對(duì)稱的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。這款導(dǎo)彈預(yù)計(jì)在2019年服役。

到目前為止，試飛的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，都是在6～8馬赫這個(gè)區(qū)間。這個(gè)問(wèn)題主要出在碳?xì)淙剂仙稀Ｌ細(xì)淙剂系逆I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(dòng)機(jī)理論上可以飛到25馬赫（只要耐熱材料夠用）。于是，在這個(gè)領(lǐng)域上的后起之秀——中國(guó)，開(kāi)始了自己獨(dú)特的道路。

中國(guó)

和我國(guó)的各種由彈道導(dǎo)彈發(fā)射的水漂彈相比，我國(guó)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(guó)的首個(gè)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(shuō)到了這里，我們的進(jìn)度和美國(guó)的X-51A已經(jīng)相差無(wú)幾了。由于這項(xiàng)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(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。

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(jìn)氣道設(shè)計(jì)也非常獨(dú)特，和美國(guó)的X-51A和俄羅斯的鋯石都有較大不同。可以說(shuō)我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的研究能力已經(jīng)邁入自由王國(guó)。

而在去年的中國(guó)國(guó)際展覽中心舉行的北京國(guó)際軍民融合裝備展覽會(huì)上，國(guó)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(tái)——凌云。凌云是一種軸對(duì)稱式的雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高超音速飛行器，與美國(guó)曾經(jīng)研究過(guò)的Hyfly非常相似，這次敢在軍民融合展覽會(huì)上展出，說(shuō)明我們?cè)谝宦肪€上的研究已經(jīng)比較成熟，而且這絕對(duì)不代表我們的最高水平，因?yàn)榘凑諔T例敢拿出來(lái)民用和外貿(mào)的肯定不是最先進(jìn)的。

你以為這就完了嗎？沒(méi)有！2018年12月，中國(guó)空氣動(dòng)力研究院在官網(wǎng)宣布，液氫燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)點(diǎn)火成功，點(diǎn)火時(shí)的速度達(dá)到了10馬赫，持續(xù)了5ms。之前我已經(jīng)介紹過(guò)，液氫燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)洳牧蠋?lái)的速度極限，讓吸氣式高超音速飛行器開(kāi)始向10馬赫甚至15馬赫，20馬赫邁進(jìn)！這可是了不得的基礎(chǔ)研究上的突破。有了這個(gè)風(fēng)洞，我們研發(fā)出液氫燃料的雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)也就指日可待。

其他國(guó)家

根據(jù)美國(guó)蘭德智庫(kù)給出的報(bào)告，超燃沖壓領(lǐng)域中美俄占據(jù)前三，而印度、法國(guó)緊隨其后，其次是澳大利亞、日本和歐盟。法國(guó)人在超壓沖燃領(lǐng)域的研究在90年代就已經(jīng)開(kāi)展，當(dāng)時(shí)與俄羅斯合作，進(jìn)行了2次飛行，達(dá)到了5.8馬赫的速度；不過(guò)當(dāng)時(shí)法國(guó)人希望的是開(kāi)發(fā)一種單級(jí)入軌飛行器，將火箭和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，做成一種可以重復(fù)利用的軌道運(yùn)輸機(jī)。

近些年，眼看著中美俄在高超音速武器上的進(jìn)步和實(shí)用化趨勢(shì)，法國(guó)又有些坐不住了，這次他們務(wù)實(shí)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(guó)的基礎(chǔ)比較扎實(shí)，要想研究出來(lái)相對(duì)容易一些。

2019年6月，印度DRDO成功試射了本國(guó)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?yàn)椴祭够旧暇褪嵌砹_斯P-10的印度國(guó)產(chǎn)版，獨(dú)立搞出雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性不大。所以應(yīng)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(guò)受到和平憲法限制，以及本國(guó)實(shí)在沒(méi)有這方面需求，一直都沒(méi)有進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證飛行。不過(guò)最年防衛(wèi)省已經(jīng)已經(jīng)宣布，將要研發(fā)本國(guó)的吸氣式高超音速武器，預(yù)計(jì)在2025年3月就可開(kāi)始試生產(chǎn)，并在2026年3月正式服役。

總結(jié)

從渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)到?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，再到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)已經(jīng)成熟的末端反導(dǎo)和日趨完善的中段反導(dǎo)，超燃沖壓式的高超音速武器有足夠的自信來(lái)突破這種防御系統(tǒng)的封鎖，也必然刺激催生新的反導(dǎo)系統(tǒng)的概念。