机关鸟攻速快还是老鼠快（比黑鸟还快7倍）

美国NASA兰利研究中心的风洞试验

最近，美国总统特朗普叫嚣要撕毁中导条约，随后又传出美国洛克达因公司在NASA兰利研究中心8英尺高温风洞中成功完成了一型新型超燃冲压发动机的自由射流试验。这就尴尬了……

超燃冲压发动机是目前人类在高超声速飞行器领域中，最具前景的动力来源，自从人类的航空器突破声障之后，对于高超声速的追求便一发不可收拾，在上世纪的冷战巅峰中，“黑鸟”与“狐蝠”的相爱相杀将人类的航空器带入了三倍声速时代。

使用超燃冲压发动机驱动的高超声速飞行器

而到上世纪90年代，随着冷战格局的瓦解，在“一超多强”的局面下美国为了进一步巩固其全球霸权，提出了“一小时打遍全球”的军事策略。如果要实现这个夸张目标，那么飞行器的速度就必须达到惊人的16倍声速以上。

这样的速度对于目前人类任何一款航空器而言都是望尘莫及的。除非有一种航空发动机能够在动力系统上对航空器带来根本性的变革，使航空器的速度加速到16马赫，而从人类的目前现有的技术角度出发，最有可能实现的这一壮举的便是超燃冲压发动机。

冲压发动机的工作原理

冲压发动机示意图

冲压的发动机的的概念诞生于一战前，由法国人瑞内·劳伦提出，其原理是飞机在高速飞行中利用来流空气进行增压燃烧，以获得高速推力，冲压发动机的结构外形是一个两头粗中间细的管子，管子从左到右分别是进气道、定子、燃烧室和喷口。当在管子的一端涌进超声速空气时，会受到内部定子的减阻，使其降至亚声速，被减速的空气在进入燃烧室和燃料混合燃烧后，受热膨胀的高温空气向外喷出，推动航空器向前运动。

SR-71“黑鸟”使用冲压发动机与涡喷发动机混合喷气的J58发动机

与现在战斗机常用的涡喷发动机相比，冲压发动机结构简单，推力大，具有较快的速度，但是冲压发动机由于没有平常发动机的压气机和涡轮风扇结构，因此在当低速飞行时，因为进入发动机进气道的空气量太小而无法发动，所以一般冲压发动机在工作前，都是先由涡喷发动机将飞行器推到超声速状态后，冲压发动机才开始工作，著名的SR-71“黑鸟”战斗机便是采用这一设计原理。

美国S-72高超声速飞行器概念图

使用冲压发动机可以轻易的将飞行器提速至3—4马赫以上，但是当飞行器在超过4马赫时，随着速度的进一步提升，冲压发动机内的定子结构也很难将超声速空气减速至亚声速，而当超声速空气直接涌进燃烧室后，由于极快的速度使得空气很难在燃烧室内被点燃，因此面对4马赫以上的速度传统的冲压发动机便无法点火，而想要在冲压发动机突破4马赫的极限，就必须使用超燃冲压发动机。

超燃冲压发动机的技术难题

X-43A高超声速飞行器

超燃冲压发动机相比传统的冲压发动机而言，进一步简化了发动机结构，取消了传统冲压发动机中为空气减速的定子系统，从而允许空气以超过声速的速度涌入发动机燃烧室内，但是这样以来就必须解决超声速空气的点火问题，因为当超声速的空气涌入发动机燃烧室后，传统的航空燃料很难将其点燃，这就好比是在飓风之中引燃一根火柴一般，因此超声速空气的点火便成了超燃冲压发动机的首要难题。

搭载至B-52挂架上的X-43A

而要解决超燃冲压发动机的点火难题，就是必须从航空燃料的选择与喷洒这两个方面考虑，因为从温度角度而言，超声速空气本身便具有极高的温度，足以点燃燃烧室内的燃料，但是由于空气在超声速条件下使得燃烧具有极大的不稳定性，因此必须采用先进的计算机控制技术来精确控制航空燃料在发动机燃烧室内的喷洒，以此提升燃烧的稳定性。

美国X-51高超声速飞行器

此外普通的液态航空燃油在面对高温高速的空气时，会发生严重的雾化现象，阻碍发动机点火，因此液体航空燃油并不适用于超燃冲压发动机，最后在来自俄罗斯的科研人员努力之下，寻找到一个可吸热的碳氢燃料来充当超燃冲压发动机能源，吸热碳氢燃料在吸收了高温空气的热量后会催化出甲烷、乙烯和氢的混合物进入燃烧室，提升燃烧性能改善了液体燃料雾化，另一方面碳氢燃料还通过可以吸收大量的热量，解决发动机的冷却需求。

解决了燃烧的稳定性问题后，在理论上超燃冲压发动机可以实现6—20马赫的速度，但是这以来发动机的表面温度就要超过1000摄氏度，飞行器会遭遇热障冲击，热障问题目前是人类在航空领域中的一个亟待解决的难题，热障会导致发动机表面出现形变，金属强度大大削弱，严重的会导致飞行器解体，目前对于热障问题最主要的解决方式在于使用隔热材料，但是对于高超声速飞行器而言效果并不是非常理想，因此热障问题也成为制约高超声速飞行器发展的“元凶”之一。

世界各国超燃冲压发动机的发展

NSAS主导了X-43A1高超声速飞行器试验

目前在全世界范围内超燃冲压发动机竞赛不断攀升，其中以美国走在前列，美国装备有超燃冲压发动机的X-43A验证机曾借助火箭发动机助推使速度达到的惊人9马赫以上，但是由于装备超燃冲压发动机的高超声速飞行器在解决热障问题以及燃料持久性问题上还有较大问题需要突破，X-43A以9马赫的速度仅仅飞行了6分钟便因为燃料耗尽坠入大海，从美国的试验经验可以看出，目前人类的超燃冲压发动机技术仍然处于理论试验阶段，距离成熟还有很长的路要走。

X-51高超音速飞行器概念图

除过美国之外，俄罗斯在上世纪90年代也开启了超燃冲压发动机的试验项目，从1991年至1998年俄罗斯进行了4次大规模的超燃冲压发动机飞行试验，最大飞行速度超过6马赫，后来由于经费问题俄罗斯采取与欧盟国家联合举行试验的方式，法国在1985年曾使用碳氢化合物燃料超燃冲压发动机推动飞行器达到了8马赫的速度。自从上个世纪40年代喷气式发动机的出现，航空领域迎来了在半个多世纪的超声速飞行时代，而到如今超燃冲压发动机实验与发展，势必会诞生出一个崭新的高超声速飞行时代。