超燃冲压发动机：高超声速飞行器的动力新标杆

这是指在超声速气流中燃烧燃料的冲压喷气发动机，它突破了传统航空发动机在亚声速气流中燃烧燃料的局限。超声速燃烧不仅减少了气流压缩和膨胀的损失，还降低了气流温度和压力，从而减轻了发动机的结构负担。采用液氢或碳氢燃料，这种发动机能在马赫数6-25的范围内稳定工作，并可将飞行高度拓展至大气层边缘，即50～60公里的高空。与火箭发动机相比，它无需携带氧化剂，有效载荷显著增加，非常适合作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器以及单级入轨的空天飞机的动力装置。此外，超燃冲压发动机还分为扩散燃烧和爆震燃烧两种燃烧形式。 冲压式发动机，其燃烧方式可分为内部燃烧和外部燃烧，并存在多种型式，如亚燃/超燃双模态冲压发动机、亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机等。此外，与飞行器机体一体化的超燃冲压发动机以及组合式超燃冲压发动机也是其常见类型。自20世纪50年代起，各国便开始对超燃冲压发动机进行深入研究。进入90年代后，其研究重心逐渐转向高速巡航导弹用发动机。

目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在致力于发展马赫数4至8之间、采用碳氢燃料且射程超过1000公里的巡航导弹用超燃冲压发动机。其中，俄罗斯在该领域的发展尤为突出，其亚燃/超燃双模态冲压发动机已成功进行过五次飞行试验，最高飞行马赫数达到6.5。

在美国，NASA主持的X-30“国家空天飞机(NASP)”计划，从1986年至1994年期间，进行了空天飞机的全方位研究，包括概念研究、方案设计以及关键技术的机理研究、模型试验和数值模拟等。 继NASP计划之后，NASA在1995年至2002年期间，进一步推进了X-43A“高超音速-X”计划。该计划专注于空天飞机的缩比模型试验、飞行测试以及超燃发动机的空中验证。在此期间，共制造了三架试验机，每架飞行器的长度约为3.6米。

2001年6月，X-43A首次飞行试验拉开帷幕。试验中，B-52飞机搭载X-43A起飞，并利用改进的“飞马座”运载火箭将其加速至马赫数3。随后，X-43A的冲压发动机启动，在5至10秒内将飞行速度提升至马赫数7至10，同时飞行高度也超过了3万米。 美国空军自1995年起着手实施“高超声速技术计划（HyTech）”，旨在研发一次性或可重复使用的高超声速军用飞行器。该计划中，导弹的飞行马赫数范围为4至8，射程达到1400公里，并配备了采用液体碳氢燃料的双模态冲压发动机。 此外，自2001年起，美国国防高级研究计划局（DARPA）与海军携手开展了为期四年的“高超声速飞行验证计划（HyFly）”。此计划致力于发展出最高巡航马赫数达6、射程为1110公里的巡航导弹，并采用普通碳氢燃料驱动的超燃冲压发动机。目前，该计划正处于不同飞行状态（如马赫数6.5、3.5和4）的地面试验阶段，预计2005年将完成飞行试验。

值得一提的是，法国自1985年便开始了对液态碳氢燃料超燃冲压发动机的研究。 图、X-43A点火瞬间 1992年，法国启动了PREPHA计划，旨在通过地面试验验证M4至M8范围内的超燃冲压发动机性能。该计划历时6年，在M6速度下进行了多次试验。1999年，法国武器采购局决定进一步延长PREPHA计划的研究工作，并启动了为期5年的PROMETHEE研究计划。这一新计划旨在探索碳氢燃料亚燃/超燃双模态冲压发动机作为空射型导弹动力的可能性。该计划将研究M1.8至M8范围内的可变几何亚燃/超燃双模态冲压发动机技术，目前M7.5的试验已圆满结束，并已着手进行全尺寸模型的设计工作。 1995年，法国与俄罗斯携手启动了一项联合研发项目，致力于开发M3至M12范围内的可重复使用发射器（RLV）以及适用于空间飞行器的双燃料（煤油与氢）双模态超燃冲压发动机（WRR）。该发动机技术具有广阔的应用前景，尤其是在航天领域。在经过五年的紧密合作与深入研究后，双方于2000年迎来了首次试验的重要时刻。 X-43A试验机在7马赫速度下的计算流体力学（CFD）模拟图展示了其在高速飞行状态下的复杂流体动力学特性。而澳大利亚昆士兰大学所领导的HyShot计划，则是一项国际合作的氢燃料超燃冲压发动机飞行试验计划，该计划于2002年7月成功实现了超声速燃烧，试验马赫数高达7.6，彰显了其在发动机技术领域的卓越成就。该计划汇聚了美国、澳大利亚、德国、韩国、英国和日本等国的科研力量。

值得一提的是，日本自1984年起便致力于超燃冲压发动机技术的研究，并建立了能模拟飞行高度35km、飞行速度M8的高超声速自由射流试验台，为大量高马赫数模拟试验提供了坚实基础。目前，日本已制定了以超燃冲压发动机为动力的单级入轨空天飞机（SSO）计划，这种飞机可载10人，具备有人驾驶、普通飞机般的起飞和着陆能力。

同时，德国和印度也在超燃冲压发动机技术领域取得了重要进展。印度国防部实施的先进吸气式跨大气层飞行器（AVATAR）计划便是一个典型例子，该计划将采用涡扇与超燃冲压发动机的组合动力，为未来的航空航天应用提供强大支持。 超声速气流在超燃冲压发动机内被加速至高超音速的概念图，展示了这一技术领域的关键环节。而超燃冲压发动机所面临的核心技术与挑战包括： （1）高效且稳定的燃料喷射、掺混、点火及燃烧技术； （2）精细且实用的燃烧室设计，以及相关的试验验证技术； （3）发动机与机体（或弹体）的一体化设计，确保整体性能的优化； （4）耐高温材料的研发，以及能够承受极端燃烧条件的吸热燃料的选择。