中国公开的超燃冲压试飞平台

近日，在中国人民革命军事博物馆举行的全国科技周活动上，我国首度公开了采用超音速燃烧冲压发动机技术的 “临近空间高超声速通用试飞平台”，这显示中国完成高超音速滑翔武器的开发后，也突破了高超音速吸气推进技术的难关，这很可能会衍生出另一支高超音速武器家族。

“助推-滑翔”与 “超燃冲压”是高超音速武器的两大流派，但后者的难度更高，之前仅有美国成功试飞。究竟超燃冲压难在哪里？又有何意义？今天，北国防务就来说说这个问题。

由B-52发射的X-43是第一种以超燃冲压发动机维持高超音速的飞行器，其液态氢仅够燃烧12秒

要达到高超音速飞行最简单的方式是采用火箭动力，因此在二战后美苏两国进行了激烈的火箭竞赛，竞相发展出更大更快的洲际弹道导弹与太空火箭。然而，火箭的缺点是同时要携带氧化剂与还原剂，因此大部分空间都要装填燃料/助燃剂，仅有少量空间可以装载弹头或货物，使其单位重量的使用成本居高不下。然而，大气有21%是氧气，喷气飞机可以吸取氧气作为助燃剂，机上只需装载燃油作为燃料就可产生动力，单位重量的使用成本就大幅降低。

喷气发动机的速度不能无限制提高，大概在3.5马赫其涡轮温度就会超过金属上限而融化。如果取消涡轮与压缩机，利用进气道的斜震波将超音速气流减速到1马赫以下，则进气的压缩比就足以作为推进之用，这就是 “冲压发动机”的原理。但空气减速时会同时增加压力与温度，当速度超过6马赫时，燃烧室的进气温度会高到接近燃烧温度，使注入的燃料无法增加气流能量，也就产生不了推力，形成了冲压发动机的速度上限。解决之道就是让气流不要减速太多，以超音速状态穿过燃烧室，这种发动机就称为 “超音速燃烧冲压发动机”，简称 “超燃冲压”。

前苏联的Kholod超燃冲压发动机利用S-200弹体作为加速平台，本身并不能产生足够飞行的推力

超燃冲压发动机的概念很简单，但达成却很困难，美国空军形容 “犹如在台风中点燃一根火柴”，超音速气流会将燃烧室的火焰吹走而无法稳定的燃烧。因此早期的超燃冲压发动机需要用容易燃烧的燃料作为辅助，例如美国海军在1958年发展的双楔形燃烧室是采用具有 “自燃”特性的合成燃油，而苏联在1991年装在S-200导弹弹鼻射出的Kholod双模式冲压发动机则用燃烧快速的液态氢作为燃料。

这两种发动机虽然都验证了超音速燃烧室的可行性，但都没有产生足够的推力维持飞行，直到2004年11月，美国NASA的X-43A Hyper-X实验载具以液氢燃料达到9.6马赫，才成为人类第一种超燃冲压推进的飞行器。

Hyfly飞行器是采用二次燃烧概念，高密度的JP-10燃油先在亚音速燃烧裂解成较小分子，再注入超音速燃烧室中燃烧产生推力

然而，液态氢的密度太低，且需以高压方式储存，不适用于严酷的战场环境。传统的石化燃料不但容易储存与分装，而且能量密度更高，美国军方一直希望改用燃油作为超燃冲压发动机的能量来源。美国海军与美国国防部高级研究计划局在2002年委托波音公司研发圆形截面的Hyfly高超音速飞行器，以在未来容纳到战舰的垂直发射器中。

Hyfly采用Aerojet公司发展的 “双燃冲压”发动机：它具有两个进气系统与燃烧室，高密度的JP-10燃油先注入亚音速气流中点燃，将燃料打散成分子更小的油气再注入超音速燃烧室。虽然2005年成功从地面发射一具50%缩比飞行器达到5.5马赫的极速，但全尺寸版本两次由F-15发射都没有成功。

X-51采用方形截面，在高超音速有较高的升阻比可飞行更远的距离。其油冷式超燃冲压发动机省略了二次燃烧，并可延长燃烧室的作用时间

美国空军的X-51“乘波者”计划则是采用普惠与Rocketdyne联合发展的X-1油冷式超燃冲压发动机，其特点是JP-7燃油在注入燃烧室前会先绕经燃烧室周围管路，除了利用管壁温度裂解为较小分子外，还可冷却燃烧室温度，使燃烧室只需用高温合金制造，而不像Hyfly得用昂贵的陶瓷。X-51也是由波音公司打造，在2010年首次试射就维持了200秒的超燃冲压飞行，极速达到5马赫。