中國公開的超燃沖壓試飛平臺
近日，在中國人民革命軍事博物館舉行的全國科技周活動上，我國首度公開了采用超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)的 “臨近空間高超聲速通用試飛平臺”，這顯示中國完成高超音速滑翔武器的開發(fā)后，也突破了高超音速吸氣推進(jìn)技術(shù)的難關(guān)，這很可能會衍生出另一支高超音速武器家族。
“助推-滑翔”與 “超燃沖壓”是高超音速武器的兩大流派，但后者的難度更高，之前僅有美國成功試飛。究竟超燃沖壓難在哪里？又有何意義？今天，北國防務(wù)就來說說這個問題。
由B-52發(fā)射的X-43是第一種以超燃沖壓發(fā)動機(jī)維持高超音速的飛行器，其液態(tài)氫僅夠燃燒12秒
要達(dá)到高超音速飛行最簡單的方式是采用火箭動力，因此在二戰(zhàn)后美蘇兩國進(jìn)行了激烈的火箭競賽，競相發(fā)展出更大更快的洲際彈道導(dǎo)彈與太空火箭。然而，火箭的缺點是同時要攜帶氧化劑與還原劑，因此大部分空間都要裝填燃料/助燃劑，僅有少量空間可以裝載彈頭或貨物，使其單位重量的使用成本居高不下。然而，大氣有21%是氧氣，噴氣飛機(jī)可以吸取氧氣作為助燃劑，機(jī)上只需裝載燃油作為燃料就可產(chǎn)生動力，單位重量的使用成本就大幅降低。
噴氣發(fā)動機(jī)的速度不能無限制提高，大概在3.5馬赫其渦輪溫度就會超過金屬上限而融化。如果取消渦輪與壓縮機(jī)，利用進(jìn)氣道的斜震波將超音速氣流減速到1馬赫以下，則進(jìn)氣的壓縮比就足以作為推進(jìn)之用，這就是 “沖壓發(fā)動機(jī)”的原理。但空氣減速時會同時增加壓力與溫度，當(dāng)速度超過6馬赫時，燃燒室的進(jìn)氣溫度會高到接近燃燒溫度，使注入的燃料無法增加氣流能量，也就產(chǎn)生不了推力，形成了沖壓發(fā)動機(jī)的速度上限。解決之道就是讓氣流不要減速太多，以超音速狀態(tài)穿過燃燒室，這種發(fā)動機(jī)就稱為 “超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)”，簡稱 “超燃沖壓”。
前蘇聯(lián)的Kholod超燃沖壓發(fā)動機(jī)利用S-200彈體作為加速平臺，本身并不能產(chǎn)生足夠飛行的推力
超燃沖壓發(fā)動機(jī)的概念很簡單，但達(dá)成卻很困難，美國空軍形容 “猶如在臺風(fēng)中點燃一根火柴”，超音速氣流會將燃燒室的火焰吹走而無法穩(wěn)定的燃燒。因此早期的超燃沖壓發(fā)動機(jī)需要用容易燃燒的燃料作為輔助，例如美國海軍在1958年發(fā)展的雙楔形燃燒室是采用具有 “自燃”特性的合成燃油，而蘇聯(lián)在1991年裝在S-200導(dǎo)彈彈鼻射出的Kholod雙模式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)則用燃燒快速的液態(tài)氫作為燃料。
這兩種發(fā)動機(jī)雖然都驗證了超音速燃燒室的可行性，但都沒有產(chǎn)生足夠的推力維持飛行，直到2004年11月，美國NASA的X-43A Hyper-X實驗載具以液氫燃料達(dá)到9.6馬赫，才成為人類第一種超燃沖壓推進(jìn)的飛行器。
Hyfly飛行器是采用二次燃燒概念，高密度的JP-10燃油先在亞音速燃燒裂解成較小分子，再注入超音速燃燒室中燃燒產(chǎn)生推力
然而，液態(tài)氫的密度太低，且需以高壓方式儲存，不適用于嚴(yán)酷的戰(zhàn)場環(huán)境。傳統(tǒng)的石化燃料不但容易儲存與分裝，而且能量密度更高，美國軍方一直希望改用燃油作為超燃沖壓發(fā)動機(jī)的能量來源。美國海軍與美國國防部高級研究計劃局在2002年委托波音公司研發(fā)圓形截面的Hyfly高超音速飛行器，以在未來容納到戰(zhàn)艦的垂直發(fā)射器中。
Hyfly采用Aerojet公司發(fā)展的 “雙燃沖壓”發(fā)動機(jī)：它具有兩個進(jìn)氣系統(tǒng)與燃燒室，高密度的JP-10燃油先注入亞音速氣流中點燃，將燃料打散成分子更小的油氣再注入超音速燃燒室。雖然2005年成功從地面發(fā)射一具50%縮比飛行器達(dá)到5.5馬赫的極速，但全尺寸版本兩次由F-15發(fā)射都沒有成功。
X-51采用方形截面，在高超音速有較高的升阻比可飛行更遠(yuǎn)的距離。其油冷式超燃沖壓發(fā)動機(jī)省略了二次燃燒，并可延長燃燒室的作用時間
美國空軍的X-51“乘波者”計劃則是采用普惠與Rocketdyne聯(lián)合發(fā)展的X-1油冷式超燃沖壓發(fā)動機(jī)，其特點是JP-7燃油在注入燃燒室前會先繞經(jīng)燃燒室周圍管路，除了利用管壁溫度裂解為較小分子外，還可冷卻燃燒室溫度，使燃燒室只需用高溫合金制造，而不像Hyfly得用昂貴的陶瓷。X-51也是由波音公司打造，在2010年首次試射就維持了200秒的超燃沖壓飛行，極速達(dá)到5馬赫。
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