衝壓發動機！不斷挑戰工程極限！

小火箭出品

本文作者：邢強博士

衝壓發動機從其概念的提出到現在，已經走過了100多年的歷程。但是，這種發動機的知名度仍比不上渦輪噴氣式發動機和火箭發動機。究其原因，我們可以發現，相較於幾十年來渦輪風扇發動機在現代民航客機和戰鬥機上的大量裝備，衝壓發動機在飛機上的應用可謂曇花一現。而在導彈和高超聲速飛行器上應用的衝壓發動機則在大部分時間裡遠離公眾的視野。實際上，這種在高超聲速時代必將成為推動飛行器前行的主要動力的發動機有著波瀾壯闊的發展歷史。本文將試著理順衝壓發動機的技術發展脈絡，讓我們一起來重新認識衝壓發動機。

名字來自古埃及

衝壓發動機的全稱為衝壓式噴氣發動機，其英文名稱為Ramjet。Jet表示噴氣發動機，而Ram這個詞則大有來頭。公元前1200年，古埃及人發明了沖角（Ram）。他們把沖角固定在艦艏上衝撞敵艦。後來，沖角在腓尼基、古希臘和古羅馬的槳帆船上得到了大量應用。藉助衝擊的速度和力量，沖角能夠把敵艦撞出大洞，是一種軍艦之間短兵相接的有效武器。在一些19世紀的蒸汽鐵甲艦的前端仍能找到沖角。

20世紀初，飛機出現。逐漸在軍艦上消失的沖角（Ram）進入了航空工程師的研究範疇。這一次，工程師們沒有讓它去衝擊軍艦，而是讓它去衝破重力的束縛，後來又賦予它衝破音障的重大使命。

1913年，法國工程師雷內·勞倫首次提出了衝壓發動機的概念。他認為，當發動機不停地向前衝擊的時候，流經進氣道的空氣會不斷地增加壓力，這樣不用壓氣機就可以讓發動機里的燃料持續燃燒並向後產生推力。這種發動機只有進氣道、燃燒室和噴管三部分組成，中間沒有活塞也無需轉子（甚至可以沒有任何活動部件），構造極簡、重量較輕，能夠擁有很大的推重比。勞倫對他提出的新概念很滿意，可惜囿於當時的材料和工藝水平，直到抱憾去世，他始終沒能製成原型機。

1915年，匈牙利布達佩斯特的工程師阿爾伯特·福諾提出了類似的概念。他將這種發動機與炮彈結合，發明了衝壓噴氣炮彈。這種炮彈能夠藉助自身動力，因此即使出膛動能不大也能有超遠的射程。不過，當時的奧匈帝國並不看好這種設計，沒有給福諾一張訂單。對於衝壓發動機的技術發展來說，這竟是一件好事。第一次世界大戰後，福諾看到了飛機的重要作用，加上他已經對炮彈失去了興趣，於是開始轉行研究衝壓噴氣飛機，並在1928年向德國提交了一種高空超聲速飛機的專利申請。這個超前於時代的設計使德國專利部門猶豫了4年，終於在1932年給福諾確認了專利。（要知道，1946年世界上才開始出現第一架能夠超聲速飛行的飛機。）上圖為福諾申請衝壓發動機專利的原稿線圖。

1926年，英國工程師本傑明·卡特提出了在發動機中安置火焰穩定器的設計。1928年，德國開始研究利用激波。當飛行器的速度超過聲速時，飛行器前方來不及躲開的空氣會不斷地堆積壓縮，並最終形成激波。激波的厚度只有幾微米，但是激波前後的空氣性質會發生巨大的變化。德國人以此為靈感設計出了帶中心錐的進氣道，利用一系列斜激波來改善衝壓發動機的進氣環境。這兩項發明奠定了早期衝壓發動機的基礎。上圖為德國人在100多年前拍攝的高速風洞中的模型和子彈在超聲速來流中的樣子。可以明顯地看到斜激波。

1949年4月，由法國傳奇工程師雷內·勒杜克設計的010型飛機試飛成功，成為世界上首架衝壓噴氣飛機。但是在多年的探索之後，衝壓發動機的一個致命缺陷暴露出來：無法在靜止條件下產生足夠的推力。

早期衝壓噴氣飛機需要由載機馱在背上，隨載機加速到接近400 千米/小時的速度後才能啟動衝壓發動機並脫離載機。這樣的設計使其無法獨立起飛，而馱載起飛的方式限制了衝壓飛機的起飛重量，也增加了起飛風險（曾發生過衝壓飛機與載機相撞的事故）。與古代的沖角同名的衝壓發動機，有著和沖角相同的先天不足。沒有初始的速度，便沒有沖角的能量。1958年，有關衝壓噴氣飛機的研究出現了停滯。後來渦輪噴氣式發動機發展迅速，衝壓發動機便很少出現在飛機上了。

巧妙設計克服先天不足

衝壓發動機在飛機上的應用可謂曇花一現。但是它重量輕、結構簡單的特點非常明顯，這足以引起導彈設計師的興趣。很快，他們就發現了衝壓發動機的新優勢。以火箭發動機驅動的導彈需要自帶氧化劑和燃燒劑。而衝壓發動機可以利用大氣中的氧氣，不需攜帶氧化劑，這會大大減輕導彈的重量和成本。另外，有試驗證明當飛行器的速度超過2馬赫（聲音速度的2倍）的時候，衝壓發動機的效率將超過渦輪噴氣發動機。這意味著在相同的起飛重量限制下，衝壓發動機導彈將會有更快的速度、更大的射程和更好的機動能力。衝壓發動機簡直是為導彈量身打造的。

但是，怎樣才能克服衝壓發動機需要初始速度來啟動這一先天不足呢？這是難不倒設計師的。在上世紀50年代，火箭發動機的技術已較為成熟。設計師們試著把衝壓發動機和火箭發動機串接起來，以火箭發動機為助推器把帶有衝壓發動機加速到可以啟動的速度。沒想到一下子便開啟了衝壓發動機的「黃金時代」。

1951年，由波音公司和密歇根航空研究中心聯合研製「波馬克」防空導彈。衝壓發動機賦予了該導彈驚人的性能指標。它能夠攜帶1萬噸級的核彈頭以2.8馬赫的速度打擊20000米高空的目標。由於其射程實在太遠（超過了300千米，改進型的射程更是達到了710千米，是同時期以火箭發動機為動力的「奈基」防空導彈的15倍），以至於該導彈不能由美國陸軍裝備而要交給美國空軍。美國空軍對此愛不釋手，後來竟給這款導彈賦予了戰鬥機的編號——F-99。

美國海軍也啟動了衝壓發動機導彈的研究。1959年，「黃銅騎士」導彈服役。這種能以2.5倍聲速飛行的導彈在越南戰爭中擊落了一架120千米外的米格-21戰鬥機，是首枚有實戰紀錄的艦空導彈。

不過，人們逐漸發現了這種穿糖葫蘆式的布局方式的不足之處。「波馬克」導彈的長度接近15米。稍微小一些的「黃銅騎士」導彈在串接了助推器後的彈長也足有11.6米，比當時的米格-15戰鬥機還要長1.5米。串聯布局使導彈長度大幅增加，不利於導彈在多種載體上的應用。「黃銅騎士」只能在大型巡洋艦上使用，這限制了導彈的裝備數量。

蘇聯人也意識到了這個問題。他們改用並聯式布局，把火箭助推器捆綁在衝壓發動機導彈的四周。薩姆-4防空導彈和SS-N-12「玄武岩」反艦導彈便採用了這樣的布局。但是，並聯布局雖然縮短了導彈的長度，卻增加了導彈的直徑，使氣動阻力增加，對射程和速度都有不利的影響。

除了串聯和並聯，還有怎樣的方式能讓火箭發動機和衝壓發動機結合起來呢？

1967年服役的薩姆-6防空導彈給出了答案。衝壓發動機內部沒有轉子，只有一個巨大的空腔。這給蘇聯設計師賦予了靈感。既然衝壓發動機在低速的時候不能啟動，那麼把空腔填滿燃料後，不就可以當作火箭發動機來使用了么！設計師把固體火箭發動機埋藏在衝壓發動機的腔體中。

從外表上看，人們已經找不到火箭助推器的影子了。該設計使薩姆-6導彈的身形變得十分小巧，有著不錯的空氣動力學特性。僅僅用內藏的固體火箭發動機就能讓導彈的速度達到1.5馬赫以上。固體燃料燃盡後，衝壓發動機的空腔便呈現出來，此時導彈剛好達到了能夠讓衝壓發動機啟動的速度要求。導彈拋掉進氣道堵蓋和火箭發動機噴口，彈體內的空腔瞬間變身為一台衝壓發動機並進行接力工作，將導彈的速度推進到2.8馬赫。

薩姆-6導彈的設計給衝壓發動機的發展提供了一個很好的思路。該導彈從開始裝備部隊到現在已近50年，在俄羅斯、印度、埃及、芬蘭、敘利亞等29個國家服役，至今仍有較大的裝備數量。這一方面是由於在1973年的第四次中東戰爭中，阿拉伯聯軍使用蘇制導彈對抗以色列飛機的實戰表現，另一方面的原因應當歸於將固體火箭嵌入到衝壓發動機內部的這種巧妙的設計。

沖入超燃衝壓時代

衝壓發動機的沖角衝破了音障，並一舉衝到3馬赫的速度。但新的阻礙出現了。當飛行器的速度達到5馬赫以上時，僅靠發動機前端的中心錐產生的斜激波已無法駕馭衝進燃燒室的氣流了。快速流動的氣體在燃燒室里左突右沖，甚至會把火焰吹熄。這支在超聲速的氣流中舞動著明亮火焰的火把除了閃耀出奇怪的煙霧之外，很難再迸發出強勁的動力。這種能夠將衝壓發動機燃燒室中的火焰吹熄的速度後來被命名為高超聲速（大於5馬赫的速度）。

為了讓飛行器的速度衝到高超聲速，工程師們開始討論讓火焰能夠在超聲速的氣流中燃燒的方法。美籍義大利空氣動力學家安東尼奧·費里提出了超聲速燃燒衝壓發動機的概念。由此便誕生了衝壓發動機家族中最年輕的成員——超燃衝壓發動機。（上圖從上到下：渦輪噴氣式發動機、亞燃衝壓發動機、超燃衝壓發動機）

1957年，曾經在「黃銅騎士」衝壓發動機導彈的研製中擔任核心角色的美國約翰霍普金斯大學應用物理試驗室開啟了對超燃衝壓發動機的研究。研究結果令人振奮：如果火焰能夠在超聲速的氣流中穩定燃燒的話，發動機噴口處的燃氣流動狀況要優於亞聲速燃燒的狀況。另外，當氣流在發動機中停留的時間變得越來越短的時候，衝壓發動機在單位時間內產生的推力也就變得越來越大。火箭發動機的比沖（單位重量推進劑產生的衝量）在300秒左右，而超燃衝壓發動機的比沖在2000秒以上。

要在如此高速的氣流中穩住火焰談何容易。實際上，在小風中劃燃一支火柴都非易事。在科研人員和工程部門的一起努力下，若干超燃衝壓發動機的原理樣機終於製造出來了。但這已經是1973年的事了。

這一年，美國航空航天局（NASA）約翰格寧研究中心啟動了超燃衝壓發動機燃燒試驗，到1974年4月份，試驗結束。發動機共點火52次，累計燃燒時間約2小時，積累了大量數據。

蘇聯也開始集中力量攻克超燃衝壓技術。在聯合了茹科夫斯基中央空氣流體動力研究院、巴拉諾夫中央發動機研究院、圖拉耶夫聯盟設計局、彩虹設計局等單位後，蘇聯建成了圖拉耶沃大型高空高速航空發動機試驗基地。後來發現，即使地面試驗設備中有轉速高達17000轉/分鐘的超級壓氣機、有現代空氣動力學給出的計算流體模型，也無法加速超燃衝壓發動機的研製進程。

研究發動機的最好方式，就是讓她到天上飛幾圈看看。於是，科研團隊採購了一批神秘的試驗設備——薩姆-5遠程防空導彈。這款射高將近40000米，射程超過320千米的衝壓發動機導彈的最大飛行速度可達5馬赫。他們拆除了導彈的戰鬥部，將一台超燃衝壓驗證發動機安置在導彈頂端。1991年11月27日，第一次試驗啟動。薩姆-5導彈強有力的衝壓發動機將驗證發動機托舉到35000米的高空後，超燃衝壓發動機點火，在綿延180千米的平直彈道的末端，超燃驗證發動機燃燒了27.5秒，其中在5馬赫以上的速度範圍內工作了5秒，使飛行器的最大速度達到了5.6馬赫。這是世界上首台在實際飛行中達到超燃狀態的衝壓發動機！1992年和1995年，該團隊與法國合作又進行了兩次驗證飛行，最大速度達到了5.8馬赫。

俄羅斯的超燃發動機飛行試驗震驚了美國人，促使他們加快了超燃衝壓發動機的研究，並提出了與俄羅斯進行合作的倡議。1997年，兩國交換研究資料後，開始正式進行超燃衝壓發動機的合作研究。合作團隊沿用俄羅斯團隊的試驗場地（位於哈薩克拜科努爾航天中心附近）和驗證發動機，依託美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心的風洞設備和工程師團隊對驗證發動機和薩姆-5導彈進行升級改造。蘭利研究中心重新設計了驗證發動機的燃燒室和進氣道前緣，用更易導熱的銅合金替代了原有的鎳合金。薩姆-5導彈的彈體被重新優化，阻力下降了6%，總質量減少了124千克。

1998年2月12日午後，拜科努爾航天中心的陽光與冷風見證了超燃驗證發動機終極改良版的發射。發動機不負眾望，達到了6.5馬赫的速度（這是驗證飛行器能夠承受的最大速度）。

之後，美俄雙方各自進行了不同的超燃衝壓計劃。2004年3月27日，美國X-43A飛行器的速度達到了7馬赫。俄羅斯則有著以SS-19「撒旦」為運載器推動飛行器衝擊14馬赫的計劃。

超燃衝壓發動機是現有技術條件下少有的可以將飛行器加速到高超聲速狀態的噴氣式發動機，註定會在未來的天空長嘯而歌，扮演越來越重要的角色。

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