中國網路上的CGI風扇藝術作品展示了一架超音速軍用飛機的外觀，具有流線型機身，大腹側進氣口和相對較小的機翼。飛機在近空（12英里至高度為60英里）的高度以10馬赫的速度飛行，該機可以在30分鐘內覆蓋紐約和舊金山之間的距離，加上可以閃避現有防空系統。

中國將研製超音速燃燒衝壓發動機

超音速技術具有軍事和民用航空航天革命的潛力，所以中國正在炫耀其技術並不奇怪。在廈門第21屆國際空間飛機和超音速系統與技術研討會上，科學家和工程師研究超音速概念和技術，中國科學家提供了關於幾個鮮為人知的但是改變遊戲規則的超音速燃燒衝壓發動機，太空飛機和超級風洞。

讓我們談談超音速燃燒衝壓發動機，這些具有呼吸空氣的發動機（如渦輪和活塞發動機），因此不需要攜帶氧化劑供應燃料。這使得它們比火箭推進的導彈更輕，效率更高，機動性更強。2015年12月出現的是中國超燃衝壓發動機試驗第一個開源圖像。飛行高度達30公里，達到7馬赫的速度。有趣的是，儘管美國的超燃衝壓發動機試驗在發射火箭助推器之前普遍被空氣噴射，但中國的超燃衝壓發動機試驗是由陸基發射裝置推進的。超音速燃燒衝壓發動機可以使航天發射和高超音速飛機更高效、更容易形成，也可用於高速巡航導彈取代彈道導彈。

超音速軍用飛機的外觀

渦輪輔助火箭增強RAM/超燃衝壓發動機，用以幫助火箭增強過渡到超音速和高超音速飛行狀態，可能是2025年世界上第一個聯合循環發動機，高超聲速臨近空間平面和單級空間發射器鋪路

高超音速飛機可以在「近太空」高度飛行12英里至60英里，允許它與集成火箭進入軌道，或在附近的空間飛行民用和軍事任務。這種高超音速飛機可以環遊世界，在幾小時內，從傳統的空中防禦系統達到。中國有幾個項目研究高超聲速組合循環發動機，其中包括一個亞音速/超音速飛行的渦扇發動機低階段，和一個從超音速高超音速飛行的衝壓階段過渡。

資料圖：SR-72高超音速飛機效果圖，美方稱其速度可達六倍音速

最有前途的項目是北京動力機械研究所的輔助火箭增強RAM/超燃衝壓發動機渦輪聯合循環，其使用集成的液體燃料火箭推動渦輪衝壓階段的性能，從而使一個更安全、平穩的過渡，從超音速到10馬赫高超聲速飛行。隨著發動機入口、冷卻和燃燒等關鍵部件的開發，系統的地面測試將在今年晚些時候開始。報告的計劃是為了全面的TRRE試驗台，到2025年開始飛行，2030年試飛。

FD-21是一座長556英尺的風洞，由中國航天航空航天研究院於2016年完成，達到10-15馬赫的速度，也足以測試全尺寸的組件的高超聲速推進，滑翔機和超音速燃燒衝壓發動機。

渦輪輔助火箭增強RAM /超燃衝壓發動機

然後有高超音速風洞。中國擁有世界上最大的高超聲速風洞，爆轟驅動JF-12，正在努力建設一個更大的風洞。556英尺長的FD-21高超聲速激波風洞的速度可以達到10-15馬赫，遠高於JF-12的馬赫5-9範圍。顯然，中國不願意限製其飛行的高超聲速研究範圍的下限。

中國超燃衝壓發動機，作為組合循環發動機的一部分，可以讓中國飛機速度達到6馬赫。在這個投機的CGI的描繪，在世界任何地方，在三小時內，在速度和高度不受現代防空系統。很有可能的，由於材料科學和物理定律的本質，像美國SR-72高超音速飛機和中國同行看起來彼此相似的。

美國《防務新聞》周刊網站3月16日發表題為《洛克希德-馬丁公司吹噓高超音速武器的突破性進展》的報道稱，洛馬公司首席執行官瑪麗琳·休森15日在公司的年度媒體日上說：「洛克希德-馬丁公司有製造高速飛機的傳統。我們目前正在生產一種可控、低阻的空氣動力設計外形，從起飛到亞音速、跨音速、超音速和高超音速，直到6馬赫，都能保持穩定運行。」這被認為是指該公司已經研製多年的SR-72高超音速偵察機，2013年，美國空軍首次承認正在開展SR-72項目。

對高超音速飛行的定義是速度達到5馬赫左右，即5倍於音速。直觀一點說，一架高超音速的飛機能在約半小時的時間裡飛越美國本土。

洛克希德-馬丁公司開發的SR-72高超音速概念機

由於極端溫度和熱載荷，達到和保持這樣的速度極其困難。儘管如此，美國在60年前就已經有能力建造助推滑翔和助推巡航武器。

6馬赫飛機想象圖

不過，研發高超音速武器費錢，在技術上也具有挑戰性，因此，五角大樓近幾十年選擇把資金投向更為傳統的消除威脅的方式。然而，隨著俄羅斯和中國研發地空導彈和防空武器來阻止美軍突破的能力，五角大樓領導人正在鼓勵研發高超音速飛行器，作為應對反介入與區域拒止（A2/AD）環境的一個手段。

美國米切爾空軍研究所1月份的一份報告說，高超音速武器的速度令研發更好的瞄準解決方案成為可能，從而使指揮官能夠有更多機會正確和準確地評估目標，然後採取行動。高超音速飛機還解決了A2/AD環境下的距離問題，因為速度達到5馬赫的武器能夠從現代防空導彈和戰機的「威脅環」外發射，但仍能及時飛抵目標。

洛馬公司首席執行官休森在15日對記者說，為滿足這一需求，洛克希德正在研發一些創新技術，使長時間、機動、高超音速飛行成為可能。這些突破包括新型熱保護系統、創新空氣動力外形、導航製導和控製改進以及遠程通信能力等。

洛馬公司先前就有支持高超音速飛行器研發的經歷。2011年，公司與國防部高級研究項目局合作，測試設計時速達到20馬赫的高超音速飛行器HTV-2。可是摩擦和熱量燒穿了試驗飛行器的外殼，飛行器最後墜入太平洋。

休森說，根據從HTV-2獲取的經驗教訓，洛克希德-馬丁目前正在支持兩個新的高超音速項目：高超音速吸氣式武器概念（HAWC）和戰術助推滑翔飛行器。

X-43A高超音速無人機

休森說：「這項技術還能讓高超音速客機成為可能，甚至讓進入太空變得更容易。我相信，洛克希德-馬丁具備實現這項技術的專業能力。」

雙發雙垂尾重殲2.6馬赫

據洛馬公司一家分公司的副總裁羅伯·韋斯說，他的工廠正在與美國噴氣發動機-火箭動力公司合作，讓HAWC技術變得成熟，這是國防部高級研究項目局和美國空軍的一個合作項目。

韋斯說：「我們真的覺得我們在所有高超音速飛行器相關技術領域都取得長足進步。在技術、推進和需要應對高溫的材料方面存在一些挑戰，但我們目前處在那些技術變得成熟的時刻，因此我們覺得非常有信心，能夠研製出高超音速飛行器和讓它們成功飛向天空。」

超燃衝壓發動機技術，被美國確定為未來將改變戰爭形態的重點技術之一，能夠搭上超燃衝壓發動機發展的快車道甚至關乎我國國運。而國防科大則完成了這一歷史性突破。

一、衝壓發動機原理

航空發動機目前主要分為渦輪風扇發動機、渦噴發動機、螺旋槳發動機等，但這些發動機都普遍無法達到較高的飛行速度，最快隻能飛到2馬赫左右。原因是這些飛機都是利用渦輪/風扇旋轉帶動氣流反推，當渦輪(用於壓氣機)/風扇轉速到一定程度後，強大的離心力將導致其結構斷裂，無法繼續，但這種發動機在低速時性能相當好。

在思考怎樣將發動機繼續提速時，科學家們發現，當空氣速度達到2馬赫以上時，如果取消發動力內部的風扇渦輪等設備，讓氣流直接進入發動機。然後通過調整發動機的構造(一般是縮小發動機的直徑)，發動機內部氣流的壓強就會自動上升，節省了壓氣機壓氣環節。一般隻要空氣降到音速之下就可以進入燃燒室和燃料混合點燃使用了，點燃後的空氣壓力由噴口噴出，產生強大的反推力，推動飛機或者導彈向前飛機，這就是所謂的衝壓發動機原理。

渦噴、衝壓和超燃衝壓發動機原理圖

從左至右其結構依次為進氣道、燃燒室、噴口，從上往下進氣道的進氣速度逐漸增加，渦輪結構被取消，因此發動機結構也變得簡單，推力也越來越大，但點火變得越來越困難。

二、超燃衝壓發動機

然而人類對速度的追求是瘋狂的。對更快的發動機需求之後，科學家們很快發現，當速度超越4馬赫後，燃燒室內進入的氣流速度迅速升高，變為超音速，此時發動機便會出現很多問題導致速度無法繼續提升甚至熄火，讓氣流在超音速下點燃產生穩定的推力，這就是超燃衝壓發動機技術。其中4-6馬赫叫做亞燃衝壓發動機，6馬赫以上叫超燃衝壓發動機技術，要實現這一關鍵技術其中最重要的問題包括進氣道技術，燃燒室技術和材料技術。

美軍的SR-71黑鳥戰略偵察機

它巧妙地將一個渦噴發動機裝在衝壓發動機內，在低速時渦噴發動機工作，高速時衝壓發動機工作，使得其最大速度達到了3.35馬赫，但再往上加速就比較困難了。

進氣道技術要解決的主要問題是要求高超聲速進氣道能夠讓發動機可以持續穩定的進氣出氣，且維持穩定的壓力，否則發動機就會變得不可控製甚至突然熄火。此外因為空氣流動時在和發動機交界處流速恆定為0，這就會產生一個阻力，這個交界層叫做附面層，高超音速時，這一阻力效應非常大，要解決這些問題都需要對進氣道進行精密設計，研究其三維壓縮效應，附面層效應等。

可以看到其承受了極高的溫度，有些表面甚至超過1000度，這給飛機材料帶來了極大的考驗。

燃燒室主要是燃料和氣流混合的場所，要解決的關鍵問題是在有限的空間(米級)、時間(毫秒級)內和在高速氣流(通常是超聲速氣流)中,實現燃料的噴射、霧化、蒸發、摻混、點火、穩定燃燒,將化學能最大限度地轉化為熱能,有高的熱效率和較小的壓力損失，但因為發動機總要逐漸增速。而在不同的速度下，氣流在燃燒室內的速度不同，對於點火等技術的要求也不同，而簡單的串聯不同的發動機不但增大重量而且並不真的有用，因此在一個發動機內同時實現多種模式燃燒就顯得非常關鍵。一般有兩種方法，一是通過精密的計算機調整燃燒位置、燃燒強度(燃燒控製)，另一種則是調整燃燒室幾何面積，這兩種方式都非常難，需要大量的計算和實驗。

燃料技術要解決的問題原理很簡單，在高超音速氣流中點燃燃料且讓其穩定燃燒一會兒，這就好比人在12級大風裡點燃一根火柴還要讓其穩定燃燒一樣難，自然普遍航空煤油無法擔任這一重任。經過試驗，碳氫燃料可以承擔這一重任。特別是吸熱碳氫燃料作為冷卻劑,吸收了發動機部件的熱量,同時通過催化、裂解、發生相變形成氣態煤油、小分子碳氫燃料(如甲烷、乙烯等)和氫的混合物進入燃燒室。一方面燃料通過相變和裂解能夠吸收大量的熱量,滿足了燃燒室等壁面的冷卻要求,另一方面大大改善了液體燃料霧化、摻混性能以及燃燒性能。

超燃衝壓發動機推動的高超音速飛行器飛行時的溫度分布圖

三、各國競相追逐

各國為了突破實現超燃衝壓發動機技術，早在上世紀就開始了研發的腳步，1991年11月27日，蘇聯首先取得突破，其「冷(Kholod)」飛行器(HypersonicFlying Laboratory, HFL)首次飛行試驗取得成功，實現了超燃衝壓發動機的正推力，最大飛行速度達到5.6Ma，發動機工作時間達到27.5 s，飛行高度35 km。

後來的俄羅斯也研製出了自己的超燃衝壓發動機推動的高超音速飛行器GLL-AP-02，最大速度為6馬赫。

美國於1996年開始了這一方面的Hyper-X計劃，其目前已經試飛的X-43A，使用氫燃料超燃衝壓發動機，2004年11月16日取得飛行試驗成功，發動機持續工作10~12s，最大速度為9.8馬赫。

美國NASA研製的高超音速飛行器X-43A

最高速度達9.7馬赫，但因為無法解決燃料持久問題，因此試飛了三次均隻持續了10秒以下就耗盡燃料，最終被NASA放棄。

而後美國又研製了X-51A，由B-52投擲發射。2013年5月1日，X-51A第四次飛行試驗取得成功，最大速度達到5.1馬赫，飛行高度18.3km，超燃衝壓發動機工作時間達到210秒，飛行距離426 km，創造了高超聲速飛行器的飛行距離紀錄。

其使用三級推進的方式，先由B-52加速到高亞音速，而後火箭發動機啟動推進到超音速，最後啟動超燃衝壓發動機，該機型目前共試飛三次，均告失敗。

我國的在上世紀90年代開始了超燃衝壓發動機真正的研製工作，並由航天三院，國防科大等多家單位負責，最終國防科大王振國團隊領先一步取得突破，在超燃衝壓發動機及其地面試驗、飛行試驗技術等方面進行了開拓性研究，實現了技術水平的跨越。並獲國家技術發明二等獎，相信不久之後，我國的超燃衝壓發動機推動的高超音速飛行器就將上天翱翔。