一般认为,高超音速的范围在 M5 到 M25 之间,更高的速度已经是第一轨道速度,就不再用音速作为衡量尺度了。不算机场时间,M5 的高超音速客机可以一个半小时就从温哥华飞到上海,M25 的高超音速客机在 20 分钟就可以从夏威夷飞到佛罗里达。高超音速在军事上的吸引力自然更大,几乎可以用洲际导弹同等的飞行时间,在 30 分钟内攻击世界上任一目标,这当然没有把地面准备、起飞、加速的时间算进去。

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左:高超音速客机想象图 右:据说传说中的“曙光”(Aurora)高超音速侦察机就是这个样子的

虽然从字面上说,超过音速就可以叫超音速(supersonic),但 M0.8-1.2 之间的空气动力性质十分特殊,以至于有一个专门名称:跨音速(transonic)。一般认为,M1.2 以上才称为超音速。但是,速度达到 M5 左右时,空气动力性质再次发生重大变化,M5 以上的速度一般称为高超音速(hypersonic)。

高超音速的空气热动力学和材料方面的挑战不说,飞行动力是一个极大的挑战。冲压发动机并不是一个的里面什么也没有的空心筒子,冲压发动机的进气口有进气调节锥,用于对超音速进气减速、增压,燃烧膨胀实际上是在亚音速下进行的。亚音速的排气通过收缩的第一段喷口加速到音速,然后通过扩张的第二段喷口进一步加速到超音速,最后喷出去。这收缩-扩张喷口(也叫 Laval 喷管,以发现这一现象的瑞典工程师 Gustaf De Laval 命名)是流体速度通过音速时的一个有趣现象。亚音速时,气体流过缩小的开孔,流速会增加,就像河流流经峡谷时,流速会加快,这个现象人们早就熟悉。但是超音速时,气体流过缩小的开孔,流速反而放慢,好比奔腾的马群涌到山口,一下子会挤成一团,反而跑不快,要过了山口到豁然开朗之地,马群才能重新奔腾起来,在开阔地上速度反而加快。所以超音速飞机的喷管都是先收缩再扩张的。但是冲压发动机的燃烧毕竟是在亚音速进行的,超音速飞行时,超音速的进气气流显著减速至亚音速,然后再在燃烧室内升温膨胀,产生超音速的推力,这么一减速一加速,使超音速飞行阻力增加,推进效率大大受损,最终成为限制其速度的一道跨不过去的关卡,也使它在速度高于 5 马赫左右时,阻力开始超过推力,换句话说,不管如何增加燃料,阻力的增加将快于推力的增加,最终不能产生净推力。于是,超音速燃烧的冲压发动机应运而生。

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典型收敛-扩张喷管,也叫拉瓦尔喷管,绿色代表亚音速,黄色正好为音速,红色为超音速

顾名思义,超音速燃烧冲压发动机(supersonic combustion ramjet,简称 scramjet)就是燃烧在超音速下进行的冲压发动机。超燃冲压发动机也有进气调节锥,但对进气的节流压缩减少,所以进入燃烧室的空气仍然是超音速的。燃烧膨胀做功的高速喷气不再像亚音速燃烧的普通冲压发动机一样,需要收缩喷管节流加速,而是直接进入扩张喷管,加速喷出。由于超音速进气含有巨大的动能,超燃冲压发动机的推力实际上有很大部分来自进气的动能。在 M8 左右的时候,进气的动能和燃烧加速产生的动能大体相当;而 M25 左右的时候,燃烧膨胀产生的动能占排气总动能的 1/10。所以,用于高超音速飞行的超燃冲压发动机最主要的问题是减小阻力,而不是增大推力。为了保持超音速燃烧,进气只能作很少的调节,以避免气流速度损失太多,这样一来,超燃冲压发动机的工作范围非常狭窄,进气必须保持在一个特定的熵,否则燃烧无法保持,所以超燃冲压发动机在任一特定高度时,只有一个特定的速度可以保持其正常工作。

超音速燃烧和亚音速燃烧,虽然只有一字之差,其性质却有本质的不同。超音速燃烧只给燃烧室极短的时间完成燃料和空气的混合、火焰的形成和扩散。这还不算,空气中的压力波以音速传递,但燃烧室内的空气仍然以超音速流动,就像跑步前进的传令兵要给骑马奔驰的骑兵传令一样,给燃烧室的燃料/空气混合和燃烧控制带来极大的挑战。由于超音速燃烧的特殊性质,超燃冲压一旦速度降下来,超音速燃烧就不能维持,就会进入亚音速燃烧,燃烧机制的激变会引起燃烧速度急剧加快,引起爆炸。另外,随着温度的升高,音速随之升高,这样,即使气流速度没有变,也突然从超音速降到了亚音速,同样引起“冲压阻塞”(choking)。超燃冲压发动机一般不能在 M5 以下工作,可靠工作一般要到 M7-8 以上,而普通冲压发动机不能超过 M5,这样一来,只有特殊设计的双模式冲压发动机(dual mode ramjet)才能将飞行器从 M5 以下加速到 M7 以上,完成过渡。

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超燃冲压式发动机在温度升高导致音速升高时,会发生“热冲压阻塞”(thermal choking)

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可以在 M3 到 M5.5 之间过渡的双模冲压发动机,在冲压状态用活门担任 flame holder,防止回火;在超燃状态不用活门,进气的激波就可以充当 flame holder

超燃冲压发动机必须在 M5 以上的气流速度中才能工作,使得地面研究非常困难。超燃冲压发动机的研究仍然高度保密,公开的细节很少。只知道俄罗斯在 92 年就和法国合作试验过超燃冲压发动机,但没有产生净推力。美国化费 2.5 亿美元的巨资研制超燃冲压发动机推进的 X-43 试验型飞机,但是澳大利亚昆士兰大学的一个研究小组用 8 千 5 百万美元的拮据的经费,在 2002 年先于 NASA 成功地试验了超燃冲压发动机,首次在飞行中产生净推力,发动机工作了 10 秒钟。

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左:HyShot 发射 右:HyShot 被发射到 330 公里的高空,然后俯冲,在 35-25 公里高空达到 M7.6,在此期间超燃冲压发动机点火,工作 10 秒钟

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HyShot 是第一个成功地实现净推力的超燃冲压发动机

但是目前最重要的超燃冲压发动机计划还是美国的 X-43。X-43 的速度达到 M7 以上,高度 3 万米以上,用 B-52 携带到空中投放,然后用“飞马”火箭助推器加速,直到超燃冲压点火。第一次试验时,飞机失控,被迫自毁。2004 年 3 月 27 日的第二次试验成功,超燃冲压发动机工作了 10 秒钟,速度达到七倍音速,成为世界上最快的采用喷气发动机(而不是火箭发动机)的自由飞飞行体,然后飞机无动力滑翔,直到在指定地点坠毁在海里。2004 年 11 月 16 日,又一架 X-43 再次打破纪录,速度达到 9.6 倍音速。

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左:X-43 在 B-52 的机翼下,X-43 只是“飞马”(Pegasus)火箭助推器尖端的小东西 右:换个角度看

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左:“飞马”火箭推动下的 X-43 正在加速上升 右:这是真家伙

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X-43 的飞行途径

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NASA 至今没有公布 X-43 在飞行中的真实图片,大概有太多的机密可以从图里看到,所以公众只能看这个想象图

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计算流体力学计算出来的 X-43 的激波