大國爭相研發超燃衝壓發動機，巡航導彈速度有望突破10馬赫

導彈火箭武器彈道導彈技術紙上的宣仔 2019-07-01

前言

上一篇介紹乘波體高超音速武器的文章裡，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，它並非是使用彈道導彈那樣的固體火箭發射的，而是採用了吸氣式的進氣道和噴氣式發動機。不過這種發動機和我們目前任何一種導彈的發動機都有較大差別。就拿我們的YJ-12反艦導彈來說，它採用的是衝壓發動機（ramjet），可以達到3馬赫以上；而X-51所代表的技術方向，則是衝壓發動機的頂配版——超燃衝壓發動機（Supersonic Combustion Ramjet）,速度是6馬赫打底，理論上限可達25馬赫。

超燃衝壓發動機原理

首先我們就看看什麼是衝壓發動機，再看什麼是超燃衝壓發動機。

衝壓發動機

衝壓發動機，其實就是省去了燃氣渦輪和壓氣機的噴氣式發動機。衝壓發動機其實是軸流式渦輪噴氣發動機演變而來。軸流式渦輪噴氣發動機的基本結構由一個外殼構成內涵道，包裹數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；空氣經過壓氣機後被壓縮，在渦輪前的燃燒室與噴出的油混合燃燒，推動渦輪旋轉，廢氣從尾部噴出；渦輪帶動壓氣機繼續吸氣並壓縮，這樣就完成了一個可持續的循環。

軸流式渦輪噴氣發動機原理

但是這種發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，那麼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。早期採用的是可調的激波錐，比較有代表的就是機頭進氣的米格-21；後來又出現了矩形進氣道，進氣道內設置可調隔板來調整激波角度；然而隨著速度的增加，給氣流減速也越來越困難，不得不在發動機內設置多個波系，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，渦輪噴氣式發動機的設計也越來越複雜。

多波系外壓式進氣道

而衝壓發動機，在高馬赫數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。所以對於高馬赫數飛行器，完全可以去掉，壓氣機和燃氣渦輪結構，通過進氣道截面積逐漸減小和進氣道內的激波來實現對氣流的減速壓縮，並採用火箭上常用的拉瓦爾噴管增加廢氣的噴出速度。於是衝壓式發動機就變成了這個樣子：

衝壓式發動機原理

不過由於衝壓發動機在亞音速下無法工作，低馬赫數下總壓恢復係數非常低，一般不會工作在2馬赫以下，所以它不會單獨出現在飛行器上，一般是要搭配一個渦輪噴氣發動機，或者火箭發動機來配合使用。比如SR-71黑鳥的J-58發動機，就是一種渦輪機組合循環（TBCC）發動機，在2.5馬赫下，工作在渦輪噴氣狀態，2.5-3.2馬赫下，工作在衝壓發動機狀態。而現代的衝壓式反艦導彈，直接採用火箭發動機，先將導彈加速到2馬赫以上，再開啟衝壓發動機進行循環，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反艦導彈均屬於此類設計。

J-58衝壓發動機，高速下激波錐向發動機裡縮堵住壓氣機，變身成衝壓發動機

鷹擊-12，使用了衝壓發動機，速度可達3馬赫以上

超燃衝壓發動機

那麼此時的衝壓發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衝壓發動機，理論上在超過5馬赫後，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，那麼就不存在以上問題了；於是一種新的衝壓發動機被提出，那就是——超壓衝燃發動機，英文是Supersonic Combustion Ramjet，也被簡稱為Scramjet。

超壓衝燃發動機與衝壓發動機都沒有壓氣機和燃氣渦輪，但是具體還是有區別的，主要差別在於進氣道-燃燒室這段的結構。它要捕捉更多的空氣，並且要有更高的壓縮比，因此看起來超燃衝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；超燃衝壓發動機進氣口的幾個關鍵指標，是空氣流量捕獲係數、總壓恢復係數、出口流場品質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，就不能實現穩定循環。

超燃衝壓發動機

此外，超燃衝壓發動機的另一個關鍵技術就是如何實現穩定的超音速燃燒。這個瓶頸是過去幾十年噴氣式發動機一直堅持要把氣流減速到亞音速後在進入燃燒室點火的一個原因。由於超音速氣流的不穩定性，而且在燃燒室內存在反射激波的耦合作用，這些都要考慮在內，否則很難實現穩定燃燒，這個難度相當於在臺風下點燃一根火柴；實現的關鍵在於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/超雙模態衝壓發動機

超燃衝壓發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。不過超燃衝壓發動只能在高於5馬赫的狀態下啟動，所以真正投入使用的，是亞音速/超音速燃燒的雙模態衝壓發動機。也就是說在小於5馬赫時，超燃衝壓發動機是無法啟動的。因此只能先讓讓亞音速燃燒的衝壓發動機先工作，加速到接近5馬赫時開啟超燃模塊進氣道，實現超音速燃燒。

雙模態衝壓發動機

帶火箭助推器的雙模態衝壓發動機

中美俄等國的超燃衝壓技術的發展

美國

超燃衝壓發動機的難度無疑是非常高的。雖然早在80年代， NASA就已經開始了超燃衝壓發動機和飛行器的研究，但是首個超燃衝壓飛行器的試飛，已經21世紀的事情。2002年美國NASA研製的X-43A高超音速飛行器是第一個使用了超燃衝壓發動機的飛行器，採用了乘波體的構型，不過以失敗告終；而2004再次發射時，持續了11秒的飛行中到達6.8316馬赫的速度，創造了新的世界紀錄。在2004年的最後一次試射中，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動機試飛中創下的一個記錄。

NASA的X-43A

而2005年12月試射的Hyfly則是一種軸對稱形狀，採用雙模發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馬赫後在啟動雙模態發動機工作，加速到6馬赫。該飛行器在5.5馬赫下維持了11秒飛行。

波音研製的Hyfly

但以上的驗證機因為都無法維持長時間的穩定飛行，所以根本無法應用到實際的作戰武器中；不過因為積累了足夠的經驗，美國打算開發一種新的乘波體+雙模衝壓發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月最後一次飛行試驗中，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，但這種穩定可持續的飛行，才是軍方所需要的。不過在這之後，儘管美國提出了HSSW計劃（高速打擊武器）。但長達數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”高超音速武器宣佈服役，在高超音速武器的進度上已經被中俄反超，美國的DARPDA才宣佈將在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。

X-51A，起個大早趕個晚集

HSSW

不過呢，雖然美國進度落後，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，並且適合戰鬥機攜帶、發射，因此很適合作為戰術打擊武器。比起需要用彈道導彈來發射的高速滑翔彈頭，發射成本低了許多。

俄羅斯

俄羅斯對超燃衝壓發動機的研究也是始於80年代，在90年代初就實現了高空試驗檯的點火。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。不過也都處於試驗形式，沒有真正首飛。

“冷”高超音速飛行器，帶雙模衝壓發動機和液氫燃料

彩虹設計局的D-2吸氣式高超音速武器

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，後來拿到印度去賣了個不錯的價錢，這就是布拉莫斯。布拉莫斯採用的是頭部進氣道衝壓發動機。在這個基礎上，2018年俄羅斯首次試飛了超燃衝壓發動機的“鋯石”反艦導彈，據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構。這款導彈預計在2019年服役。

鋯石的外形與X-51A頗為相似

到目前為止，試飛的超燃衝壓發動機，都是在6～8馬赫這個區間。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。採用液氫做燃料的超燃衝壓發動機理論上可以飛到25馬赫（只要耐熱材料夠用）。於是，在這個領域上的後起之秀——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射的水漂彈相比，我國的雙模衝壓高超音速飛行器的研究顯得低調了許多。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，並且在2014年獲得圓滿成功。可以說到了這裡，我們的進度和美國的X-51A已經相差無幾了。由於這項技術的重大突破，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。

疑似我國首個乘波體吸氣式高超音速飛行器

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域的研究能力已經邁入自由王國。

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展出了一種臨近空間的高超音速試飛平臺——凌雲。凌雲是一種軸對稱式的雙模衝壓發動機高超音速飛行器，與美國曾經研究過的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的肯定不是最先進的。

凌雲高超音速通用試飛平臺

凌雲發射

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宣佈，液氫燃衝壓發動機風洞試驗點火成功，點火時的速度達到了10馬赫，持續了5ms。之前我已經介紹過，液氫燃料的超燃衝壓發動機可以在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於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，我們研發出液氫燃料的雙模衝壓發動機也就指日可待。

其他國家

根據美國蘭德智庫給出的報告，超燃衝壓領域中美俄佔據前三，而印度、法國緊隨其後，其次是澳大利亞、日本和歐盟。法國人在超壓衝燃領域的研究在90年代就已經開展，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一種單級入軌飛行器，將火箭和超燃衝壓發動機結合起來，做成一種可以重複利用的軌道運輸機。