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。

　　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”。

　　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。

　　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。

　　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。

　　而此次国防科技大学空天科学学院展示的超燃冲压试飞平台外型类似Hyfly，同采圆形截面与弹鼻进气，可能是为了便于容纳进舰上发射管。另外，网络也曾出现 “轴对称径向布局双模块发动机”的概念图，可能也用在这款飞行器上，整体概念与Hyfly计划相同。

　　根据现场海报，2015年12月首次进行了飞行试验，使中国成为世界上第二个以石化燃料进行超燃冲压飞行的国家。

　　采用 “助升-滑翔”的高超音速滑翔器仅需考虑高超音速的耐热与复杂的气动控制问题，而 “超燃冲压”飞行还需多突破超音速吸气推进的难关，因此难度更高，俄罗斯与印度在发展完“布拉莫斯”冲压动力导弹后也积极想研发出超燃冲压版本，但至今没有具体成果。美国国防业界人士曾形容中国对高超音速科技的投入已超越了美国，目前的确在 “助升-滑翔”与 “超燃冲压”这两个领域看到了显著的成效。

　　由于油冷式有温度较低的特点，减轻了材料的负担，目前是各国研究超燃冲压发动机的主流。根据中国科学报在2017年的报导，超燃冲压的项目组提出了主动冷却的双压裂解新概念，克服了国外流行的超临界主动冷却方法的缺点，显示目前展出的飞行器可能只是过度版本，还有油冷式超燃冲压发动机在发展中，并成为真正武器化的项目。