超燃冲压发动机（超声速燃烧冲压式发动机）

简介

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行Ma数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行Ma数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到马赫4的较低超声速，然后燃料从壁面和/或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。

超燃冲压发动机

高超声速飞行器（飞行M数超过声速5倍的有翼和无翼飞行器）是未来军民用航空器的战略发展方向，被称为继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次革命。超燃冲压发动机是实现高超声速飞行器的首要关键技术，是21世纪以来世界各国竞相发展的热点领域之一。

国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机。亚燃/超燃双模态冲压发动机可以在亚燃和超燃冲压两种模式工作。当发动机飞行M数大于6时，实现超音速燃烧，当马赫数低于6时。实现亚音速燃烧。美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，NASA正在进行飞行试验的就是这种类型的发动机。亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流发动机制动原理进入超音速燃烧室。这种发动机适用于巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。

尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超音速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超音速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念，这种方案的马赫数范围是0－15，用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。国外已经研究过的组合式超燃冲压发动机主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这种组合发动机可能成为21世纪从地面起降的可重复使用的空天飞机的动力。

发展历史

用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有50多年的历史。20世纪90年代，，最早的专利就记录在案了。60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。

80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划。但是，随着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近20亿美元。2004年，NASA的HyperX计划完成，成功地进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行试验。这两次飞行都是在单一速度和高度下，持续了数秒。

同年末，X－43A超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数9.6的记录。美国空军正在试图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。

超燃冲压发动机

已从概念和原理探索阶段进入了以飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。预计，到2010年，以此发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以此为动力的高超声速轰炸机和空天飞机将有可能投入使用。

主要特点

一是超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、单位推力（单位质量流量推进剂产生的推力）高和速度快的优点。与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂。

因此，有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。由于有重要的军事和航空航天应用前景，超燃冲压发动机备受世界各国重视。昂贵的试验费用是制约超燃冲压发动机研制的主要因素之一。

二是超燃冲压发动机的缺点是在静止状态下不能自行启动，须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工作，且其低速性能不好。

航空中的运用

喷气式发动机的燃料燃烧需要氧气，但大气层外没有足够的氧气来维持燃烧。因此，飞往太空需要火箭推

超燃冲压发动机

主要类型

经过多年的发展，国外已研究设计过多种超燃冲压发动机的方案。主要包括普通超燃冲压发动机、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、吸气式预燃室超燃冲压发动机、引射超燃冲压发动机、整体式火箭液体超燃冲压发动机、固体双模态冲压发动机和超燃组合发动机等。其中，双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机是研究最多的两种类型。

亚燃/超燃双模态冲压发动机是指发动机可以亚燃和超燃冲压两种模式工作的发动机。当发动机的飞行M数低于6时，在超燃冲压发动机的进气道内产生正激波，实现亚声速燃烧；当M数大于6时，实现超声速燃烧，使超燃冲压发动机的M数下限降到3，扩展了超燃冲压发动机的工作范围。

超燃冲压发动机

对于采用碳氢燃料的超燃冲压发动机来说，当发动机在M3~4.5范围工作时，会发生燃料不易着火的问题，为解决这一问题。人们提出了亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机概念。这种发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚声速燃烧室，另一部分引导其余来流进入超声速燃烧室。突扩的亚声速燃烧室起超燃燃烧室点火源的作用，使低M数下，燃料的热量得以有效释放。由于亚燃预燃室以富油方式工作，不存在亚燃冲压在贫油条件下的燃烧室-进气道不稳定性。这种方案技术风险小，发展费用较低，较适合巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。掌握该技术的主要是美国霍布金斯大学的应用物理实验室。

尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超声速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超声速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念。早在50年代对超燃冲压概念进行论证时，人们就提出了以超燃冲压为主的组合式动力的方案，这种方案的M数范围是0~15甚至25。用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。已经研究过的组合式超燃冲压发动机类型很多，包括涡轮/亚燃/超燃冲压、火箭/超燃冲压等。这种发动机将成为21世纪从地面起降的空天飞机的动力。

关键技术

流过超燃冲压发动机的气流速度始终为超声速，空气流过飞行器体内通常只有几毫秒的滞留时间，要想在这样短的时间内完成压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率的掺混、点火并燃烧是十分困难的，燃料与空气的掺混好坏直接影响发动机的长度和热负荷。因此，应对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多方面的因素进行综合性理论和试验研究。

由于来流不均匀，超燃冲压发动机的燃烧室的工作非常复杂。因此，燃烧室的设计和试验特别是超声速燃烧过程的研究非常重要。尽管数值模拟技术已发展到了相当高的水平，但这种发动机燃烧室的研究发展还主要依靠试验。高超声速推进系统研究对试验设备的要求很高，要模拟的气动参数变化范围大。而且，只有有限的试验可在地面进行，大部分问题必须通过飞行试验解决。

超燃冲压发动机的机体/发动机的一体化设计是非常复杂的技术，包括气动力一体化、结构设计一体化、燃料供应和冷却系统设计一体化和调节控制设计一体化。

这两项技术是超燃冲压发动机的基本技术，由于高超声速推进系统极高的热负荷，因此需要耐高温的陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料，同时需要燃料在工作过程中完成许多部件的冷却任务。低温液氢是吸引人的燃料和冷却剂，但它的密度太小，需要较大的容积。对于导弹来说，由于机动性和长时间储存要求，需要更合适的吸热燃料。

研究人员在工作中进行了标准和并行的设计。如果SJX61－1工作的好，将保持现有的设计不变，但是，如果性能比预想的差，将用SJX61－2做替代。

在采用碳氢燃料的超燃冲压发动机中，燃料还作为冷却剂。达到一个热平衡，使发动机携带的燃料与燃烧所需的燃料量相当是非常重要的。但是，在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，冷却的燃油需求量可能超出燃烧所需的燃料量，这意味着用于冷却的燃料量将比燃烧消耗的燃料多。这样，热的多余燃料必然堆积在发动机的某处，这将有可能使飞行器的航程受影响。替代的方案是在更低的速度下飞行，以减少达到正确热平衡的热负荷。

在"鲁棒的超燃冲压发动机"计划下，出于结构上的考虑，发动机的流路可能是圆形的或椭圆形的。这将加剧燃料进入燃烧流的问题。解决这个问题的方案是采用在第一级喷射器后有第二级喷射器的串联喷射器，或者采用带冷却的挂架或支柱。但是，由于这些结构有非常高的热负荷，因此也带来了其他一些问题。AFRL推进部正在与材料部和DARPA一起工作研究基于陶瓷的带燃油冷却的结构。

研究人员已经在实验室条件下利用非干涉的基于光学的诊断技术在一台运行的超燃冲压发动机种确定了火焰的实际位置以及在核心流中发生的燃烧反应。这些设备用于飞行系统上是有可能的，甚至有可能用于燃气涡轮发动机上。

工作过程

冲压发动机的原理比涡轮喷气发动机的原理发现要早很多，无非就是空气以超音速进入发动机燃烧室与燃料混合点燃，由于其本身的能量，空气已经不需要再压缩，所以可以完全省略涡轮和相关的复杂设计，把喷气发动机的结构最简化。

与一般的冲压发动机不同的是发动机进气前与进气后其气流都维持在5马赫的高超音速以上。而一般的冲压发动机则需要把气流减速增压。但气流速度一旦达到了5马赫的高超音速以上时，气流减速增压所带来的高压强高温度会超过发动机材料承受极限。所以解决最好的办法就是以高超音速吸气后经过燃烧后马上高超音速喷出。这样发动机内滞留的静压静温就不会威胁发动机正常运作。而其中超燃冲压发动机关键技术难点之一是点火技术，在高超音速中添加燃料并点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴！

发展现状

从20世纪50年代人们就开始研究超燃冲压发动机，最初的应用目标是单级入轨的飞行器、远程高速飞机和远程高超声速导弹。从90年代开始，重点转向巡航导弹用超燃冲压发动机的发展。美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展M数4~8、射程1000km以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。采用碳氢燃料、M数3~8的双模态超燃冲压发动机已结束地面试验验证，进行了飞行试验。预计，到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹将问世。到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机将有可能投入使用。

在2015年10月中国航空协会官网公布的第三届冯如航空科技精英奖获奖名单与事迹介绍中，关于我国的高超音速飞行器的研究情况中，首次公开证实了我国超燃冲压发动机研制成功和高超声速飞行器完成自主飞行试验的消息。我国成为继美国之后第二个实现以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器自主飞行的国家。

第三届“冯如奖”评审通知于2015年5月中旬向全会各级组织发出。截止2015年7月1日，有关单位会员、地方航空学会和专业分会共推荐提名27位候选人。经材料审查和征求人选所在单位及有关方面意见，学会于2015年7月24日召开了第九届理事会人才工作委员会第一次会议，进行第三届冯如奖评审。会议采取两轮无记名投票方式产生了9位拟授奖人选，经学会网站进行了为期20天的公示。通过中国航空学会九届三次常务理事会审定，9位代表成功当选，依据得票依次为：王永庆、黄维娜、梁晓庚、冯军、杨朝旭、黄长强、王振国、昂海松、李孝堂。 2015年9月16日，2015（第二届）中国航空科学技术大会上举行了隆重的颁奖仪式。

王振国，国防科学技术大学教授，高超声速推进技术领域专家，曾获科技部“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖。承担国家863计划、国家重大专项××工程等多项重大攻关项目，在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面进行了开拓性研究，实现了技术水平的跨越。获国家技术发明二等奖2项（1，1）、国家科技进步二等奖2项（1，3）、授权专利60余项；出版专著5部，发表论文199篇；培养博士28名，其中3人获全国优秀博士学位论文。

俄罗斯从60年代开始研究超燃冲压发动机，目标是M数5~7的民用运输机、单级入轨航天飞机和高超声速巡航导弹。

俄罗斯中央航空发动机研究院是超燃冲压发动机的权威研究单位，20世纪80年代，该研究院与中央空气流体动力研究所等单位合作进行了“冷”高超音速技术发展计划，主要研究试验用矩形和轴对称双模态超燃冲压发动机。1991~1998年，共进行了5次超燃冲压发动机的验证性飞行试验，飞行M数最高6.5，发动机使用的是氢燃料。其中第2、3次与法国合作，第4、5次与美国合作。据称第二次是最成功的，获得的数据最全。该研究院正在进行速度为6~7倍声速的高超声速飞行器用超燃冲压发动机的技术研究，应用目标是军民用高超声速飞行器。

该研究院正在研制高超声速有翼飞行器，采用3台超燃冲压发动机。该项目还处在基础研究阶段，其缩比模型已进行了风洞试验。

中央航空流体动力研究所是俄罗斯重要的超燃冲压发动机技术研究机构。该研究所正与俄彩虹设计局及德国一些部门合作进行导弹用M数5~7的超燃冲压发动机的研究，这种发动机的进气道呈三级斜面形状，已经进行了连接式和自由射流式试验，今后将进行飞行试验。同时，该机构将为俄罗斯空间局（RSA）的一项飞行试验计划（“鹰”计划）研制M数6~14、氢燃料、双模态的超燃冲压发动机。该计划将发展一种与NASA的Hyper-X相似的机体/发动机一体化的高超声速试验飞行器，发动机由三个模块组成，进气道的喷管位于机体下方。还未找到合作伙伴。

“联盟”航空发动机科研生产联合体是俄航空发动机的重要研制单位，近年来，除为中央航空发动机研究院试制轴对称超燃冲压发动机外，还独立开发试验发动机，该单位设计了M数5~6的双模态冲压发动机，计划在导弹改装的试飞器上进行飞行试验。

美国是开展超燃冲压发动机技术研究较早的国家，NASA、空军和海军都有自己的发展计划。

NASA从1965年开始研究超燃冲压发动机技术，目标是有人驾驶飞行器和单级入轨飞行器的动力。1996年，美国NASA在历时8年、耗资30亿美元的NASP（国家空天飞机）计划被终止之后，又开始实施投资1.7亿美元的高超声速飞行器试验计划（Hyper－X），研究用于高超声速飞行器（M数10）和其他可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机与一体化设计技术。该计划将对3架无人驾驶研究机X－43进行飞行试验，发动机采用氢燃料的双模态冲压发动机，机身和发动机采用一体化设计。X-43A的第1次飞行试验发生在2001年6月，不过，试飞以失败告终。2004年3月27日，X-43A在第2次飞行试验中成功地达到M数7的速度，成为世界上飞行速度最快的以空气喷气发动机为动力装置的飞行器。预计，2004年9月或10月，该计划将进行最后一次M数10的飞行试验。

为保持NASA高超声速技术的持续发展，NASA计划从2006年开始一个适度的Hyper-X后继计划。新计划将是在X-43A之后非常低水平的高超声速技术发展计划，将进行基础性的技术研究，发展新的可变几何、能在更大M数范围工作的超燃冲压发动机。还将重点发展重量更轻、耐高温性能更好的发动机新材料。第一个5年的工作重点可能是M数5~6的飞行器，第二个5年的工作重点是M数8~9的飞行器，第3个5年将发展M数13~15的飞行器。计划的目标是经过5年的发展，技术准备达到能发展真实飞行器的水平。

美国空军在50年代末开始超燃冲压发动机的研究，目标是单级入轨的飞行器。1995年，美国空军开始实施高超声速技术计划（HyTech），目标是验证能够在M数4~8范围飞行、射程1400km的高超声速导弹用液体碳氢燃料双模超燃冲压发动机的适用性、性能和结构耐久性。2003年，该计划完成了世界首台飞行重量的碳氢燃料超燃冲压发动机的地面试验。地面验证发动机（GDE-1）进行了M4.5和M6.5的试验。下一步将发展采用完全一体化燃油系统的GDE-2验证机。2004年将开始GDE-2的首次全尺寸试验。2007年夏天，一种利用GDE-2改型的发动机将开始M数6~7的自由飞行试验，超燃发动机的工作时间为5~10分钟。如果成功，接下来将在6~9个月后再进行两次飞行试验。该计划将于2010年结束，2010~2015年，高超声速空对地巡航导弹初步具备作战能力。

美国海军的超燃冲压发动机研究始于60年代初，目标是舰载导弹用发动机。最初设计的超燃冲压发动机采用分模块式进气道、轴对称燃烧室，尾喷管设计考虑了实际气体和粘性的影响。70年代，海军认为该方案所用燃料太活泼、有毒，不适于舰载导弹，改为使用碳氢燃料的双燃烧室冲压发动机方案。1997年5月，海军提出了高超声速攻击导弹计划。采用M数8的超燃冲压发动机，射程1000km。海军的超燃冲压发动机一直由约翰霍普金斯大学的应用物理实验室研制，为双燃烧室冲压发动机，2000年设计和制造了一个全尺寸直连式燃烧室试验件。正在进行全尺寸燃烧室的试验。

超燃冲压发动机

法国自20世纪60年代以来一直未间断过高超声速技术的研究。1992年，法国政府开始了为期6年的国家高超声速研究与技术计划（PREPHA），目的是通过地面试验，验证M数4~8的超燃冲压发动机的性能，该发动机的发展目标是单级入轨的航天飞机。"小羚羊"（Chamois）超燃冲压发动机在相当于M数6的速度下进行了多次试验。

1999年，法国武器采购局决定延长PREPHA的研究工作，设立了为期5年的普罗米希（Promethee）研究计划，目的是探讨M数1.8~8的烃燃料变几何亚燃/超燃双模态冲压发动机作为一种空射型导弹的动力的可行性，计划总投资6200万美元。M数7.5的超燃冲压发动机试验获得成功，发动机运行了10s。在超燃冲压发动机技术的发展中，法国与俄罗斯、德国开展了合作。

澳大利亚昆士兰大学从1999年领导了一项国际合作的氢燃料超燃冲压发动机飞行试验计划--HyShot计划。2002年7月，HyShot计划的飞行试验成功实现了超声速燃烧，试验M数达到7.6。美国、澳大利亚、德国、韩国、英国和日本参与了该计划。

日本从1984年开始研究超燃冲压发动机技术，已建成可模拟飞行高度35km、飞行速度M数8的高超声速自由射流试验台，进行了大量高M数的模拟试验。日本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，这是一种有人驾驶的可像普通飞机一样起飞和着陆的可载客10人的民用飞机，计划到2005年结束。

此外，德国和印度也在超燃冲压发动机技术方面进行了大量的基础性研究。印度国防部正在实施的先进吸气式跨大气层飞行器（AVATAR）计划，该计划将采用涡扇/超燃冲压发动机组合动力。

发展趋势

由于超燃冲压发动机的巨大的军事及经济应用前景，早在六十年代，美国就开展了与此有关的大规模的研究工作，并逐步完成了发动机样机的建造，验证超燃设计方法的可行性，并且根据实验结果提出了发动机与机身一体化的设计概念，得到了广泛的认可。到八十年代，其中一个重要的研究成果就是所谓的双模态发动机（Dual-mode scramjet），它是一种适用于中等飞行马赫数（4~8）的，既可以进行亚音速燃烧又可以进行超音速燃烧的冲压发动机，拓宽了超燃冲压发动机的应用下限。它是一种环形进气道结构，包括亚音速和超音速两个进气道，在不同的飞行马赫数和燃料当量比情况下，发动机自动实现亚燃和超燃的模态转化。

以莫斯科中央航空发动机研究院为首，俄罗斯也进行了大量的超燃发动机的研究工作，已进行了5次飞行试验，其中4次获得成功。其他国家也都积极的开展了有关超燃发动机的研究。国内在这一领域的研究已经起步，进行了一些基础性的实验和数值模拟研究，并且准备开展超燃冲压发动机的初步设计工作。借鉴国外的研究经验，中国先进行低马赫数下，采用普通航空煤油的超燃冲压发动机研究，技术难度相对较小，且具有很好的可行性和很强的实用性，有望在不远的将来研制成功中国的高超音速巡航弹用超燃冲压发动机，服务于我军的国防现代化。事实上，我国已经初步具备高超音速战略打击能力，这不得不归功于冲压发动机的成功研制。从中国国情看，中国已实现载人航天飞行，建立太空空间站和登月计划正有条不紊地实施，光学、雷达侦察卫星技术有相当发展，北斗卫星定位导航系统已投入使用，正和欧盟联合开发伽利略全球卫星定位导航系统，而且在上个世纪九十年代中国就研制出C101、C301以冲压喷气发动机为动力的超音速反舰巡航导弹；中国的科技实力在世界上也称得上科技大国了，中国研发超燃冲压发动机还是具备一定人才、技术条件和技术储备的。

航天飞机的极速梦想，有一天将以低于当今火箭的费用，把人员和货物送入太空。而这个梦想将建立在超声速燃烧冲压发动机的成功之上。

为了让超燃冲压发动机达到高超声速飞行，世界上许多研究小组正在努力克服巨大的技术挑战。本文的讨论将集中在美国空军和普拉特·惠特尼集团公司(Pratt & Whitney）的高超声速技术（HyTech）超燃冲压发动机计划上，这是我最熟悉的计划之一。

另外，还有大量研发工作在美国海军、美国国家航空航天局（NASA）、美国国防部高级研究项目局（DARPA），以及澳大利亚、英国、日本等地展开。国内这方面研究重点单位主要有哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，西北工业大学、国防科技大学等，并且为中国培养了一大批这方面的基础人才，相信不久的将来随着技术的成熟，超燃冲压发动机将会有更广阔的应用。