超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)彈技術(shù)簡(jiǎn)介

飛行器常用的推進(jìn)動(dòng)力可分為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)?；鸺l(fā)動(dòng) 機(jī)同時(shí)攜帶氧化劑和燃料，使得其在大氣層內(nèi)外均能有效工作，但攜帶大量氧化 劑使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比較低，且運(yùn)載成本高、可重復(fù)利用性不好。采用三組 元燃燒和塞式噴管能夠有效提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但性能提升基本達(dá)到上限。與 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)直接利用大氣層內(nèi)的氧氣作為氧化劑，能夠減小 飛行器的質(zhì)量與體積，因此燃料比沖高、航程遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)性好。

飛得更高、更快、更遠(yuǎn)一直是人類(lèi)的不懈追求。吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞式發(fā) 動(dòng)機(jī)不能突破音速，渦輪噴氣/渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到的速度在Ma3左右，亞燃 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的速度上限一般為Ma5。隨著飛行速度的進(jìn)一步提高，必須采用超燃 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，即利用高速來(lái)流的沖壓效應(yīng)使來(lái)流部分滯止、以超聲速進(jìn)入燃燒室 與燃料混合燃燒。

在大氣層內(nèi)工作時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma6以上性能最佳，在Ma8以上的速 度時(shí)是唯一可用的吸氣式動(dòng)力系統(tǒng)。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)本身的潛在優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù) 難度，使得超聲速燃燒的研究持續(xù)了60余年。以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的高超聲 速推進(jìn)系統(tǒng)可以應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和空天飛機(jī)等新型飛行 器，是繼發(fā)明飛機(jī)、突破音障、進(jìn)入太空之后人類(lèi)航空史又一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。

自20世紀(jì)50年代起，美國(guó)憑借巨額的資金投入、雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)的 規(guī)劃和廣泛而深入的研究，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中占據(jù)著主導(dǎo)地位，領(lǐng)導(dǎo)著 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究的主流方向。其最具代表性的飛行試驗(yàn)是X-43A、HyFly和 X-51A的幾次試飛。

一個(gè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將HAWC提升到超音速，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃并加速導(dǎo)彈，使其能夠達(dá)到高超音速飛行。該測(cè)試驗(yàn)證了HAWC的機(jī)身和推進(jìn)系統(tǒng)以高超音速到達(dá)和巡航的能力。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力高超音速吸氣武器概念 （HAWC） 的首次飛行測(cè)試。 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用高車(chē)速在燃燒前強(qiáng)制壓縮進(jìn)入的空氣，以實(shí)現(xiàn)高超音速（5馬赫或更高）的持續(xù)飛行，這是音速的五倍。通過(guò)以這些速度行進(jìn)，像HAWC這樣的高超音速武器能夠比傳統(tǒng)導(dǎo)彈更快地到達(dá)目標(biāo)，從而有可能躲避防御系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用離心式 壓縮機(jī)，或者旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片來(lái)壓 縮吸入的空氣，然后燃料與其混合 燃燒以生成推進(jìn)力。超燃沖壓發(fā)動(dòng) 機(jī)放棄了壓縮機(jī)，而是利用高速氣 流的巨大壓力將空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比噴氣發(fā)動(dòng) 機(jī)擁有更高的轉(zhuǎn)速，但在較低的轉(zhuǎn) 速下，吸入空氣的壓力不足以讓超 燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。這意味著 以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的平臺(tái)難 以緩慢平穩(wěn)降落，因此只能使用一 次。然而，集成了傳統(tǒng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 技術(shù)，且以組合循環(huán)超燃沖壓發(fā)動(dòng) 機(jī)為動(dòng)力的平臺(tái)可以像飛機(jī)一樣飛 行，并且可以重復(fù)使用。按照庫(kù)姆 斯的說(shuō)法，“這種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)可 能會(huì)徹底改變民航和軍用飛機(jī)的歷 史?！?“混亂”項(xiàng)目可能會(huì)采用組 合循環(huán)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)人 機(jī)，而不是將其用作一次性導(dǎo)彈的 動(dòng)力。該無(wú)人機(jī)將采用傳統(tǒng)的噴 氣發(fā)動(dòng)機(jī)起飛，并加速到大約3馬 赫，然后過(guò)渡至啟動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng) 機(jī)，使其發(fā)射速度超過(guò)5馬赫。一 旦需要飛入對(duì)手領(lǐng)空，基于“混 亂”項(xiàng)目，無(wú)人機(jī)就可以發(fā)射廉價(jià) 的常規(guī)炸彈和導(dǎo)彈，對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻 擊，或者進(jìn)行偵察，然后返回重新 裝彈，再次執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，就像舒 爾少校駕駛SR-71“黑鳥(niǎo)”戰(zhàn)略偵 察機(jī)在利比亞空域執(zhí)行任務(wù)那樣。 從理論上講，這很誘人，但從 工程角度來(lái)看卻令人困惑，甚至自 相矛盾。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)在 設(shè)計(jì)上阻礙氣流，但超燃沖壓發(fā)動(dòng) 機(jī)需要無(wú)阻礙氣流才能正常工作。事實(shí)上，即使是開(kāi)發(fā)普通的超 燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其固有的挑戰(zhàn)也是 巨大的，特別是當(dāng)空氣與燃料的混 合物以高于音速的速度進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒室燃燒時(shí)（庫(kù)姆斯將這一挑戰(zhàn) 稱(chēng)為“燃燒穩(wěn)定”）。 高超音速導(dǎo)彈的飛行速度超過(guò)每秒一英里，面對(duì)2°F的灼熱溫度，同時(shí)在整個(gè)飛行過(guò)程中進(jìn)行機(jī)動(dòng)，高超音速導(dǎo)彈測(cè)試了可能的極限。 高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)提供更高的速度、最佳性能以及在作戰(zhàn)人員與其面臨的威脅之間盡可能遠(yuǎn)的距離內(nèi)作戰(zhàn)的能力。

高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)以超過(guò)5馬赫的速度移動(dòng)，帶來(lái)了一系列獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)。

在大氣中長(zhǎng)時(shí)間以這些速度運(yùn)行時(shí)，你會(huì)遇到各種熱問(wèn)題，以及機(jī)動(dòng)性和生存能力方面的挑戰(zhàn)。用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，快速移動(dòng)的武器會(huì)變得非常熱，并且熱量會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。 熱專(zhuān)家、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師、分析師和空氣動(dòng)力學(xué)家等，解決高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)等多方面問(wèn)題需要廣泛的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)。 需要采用數(shù)字化方式整合未來(lái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和測(cè)試的各個(gè)方面，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)都需要采用建模仿真的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。 數(shù)字化工廠提供長(zhǎng)期的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，例如優(yōu)化的制造流程設(shè)計(jì)和工作空間、最先進(jìn)的自動(dòng)化和產(chǎn)品質(zhì)量的整體改進(jìn)。通過(guò)數(shù)字工廠虛擬環(huán)境中對(duì)整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行建模，以在物理工廠完工之前優(yōu)化地板布局、加工路徑、模具設(shè)計(jì)、技術(shù)人員界面。 從戰(zhàn)略角度來(lái)看，對(duì)手通常會(huì)進(jìn)行防空和太空防御。通過(guò)在大氣層中快速移動(dòng)，超音速可以潛在地躲避這些主要防御，使美軍能夠從遠(yuǎn)處有效行動(dòng)。 “高超音速系統(tǒng)能夠在高層大氣（80，000至200，000英尺）內(nèi)以接近和超過(guò)5馬赫的速度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行，并且它們能夠以防御者難以預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行機(jī)動(dòng)，這是高空射程在防空系統(tǒng)和彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)之間造成了差距。

審核編輯 ：李倩