在超音速下燃烧

戴河

为了真正实现高超音速飞行器，必须研制出能在这种条件下工作的先进动力系统，这就是革命性的超音速燃烧冲压发动机技术。在这个方面，美国显然走在了前面。

冲压发动机

说起高超音速技术，必提超燃冲压发动机已经是常态。这种发动机要求燃烧室内的燃料在超音速气流中保持燃烧，被形容为“在狂风中点燃一根蜡烛”。作为超燃冲压发动机技术的基础，美国使用涡轮喷气和亚音速燃烧的传统冲压发动机也接近了高超音速的门槛。

美国通过武器创新研究、RIM-8“黄铜骑士”等项目掌握了冲压发动机技术，美国空军又在1976年开始研制先进战略空射导弹。

这是一种使用冲压发动机的中程战略导弹，计划用于替换AGM-69 SRAM导弹。它的射程480千米，设计速度超过马赫数4.5，使用W69核弹头。1979年导弹开始进行试飞，7次试飞中曾有一次在12000米高空达到马赫数5.5的高速，跨过了高超音速的门槛。但由于美国国防预算的削减，以及AGM-86亚音速巡航导弹的成功，该项目最终于1980年取消。

但该技术显示了传统亚燃冲压发动机的高超音速飞行潜力。虽然理论上亚燃冲压发动机在高超音速飞行时需要将气流减速到亚音速进行燃烧，会带来更苛刻的高温、高压和气动问题，但比之一直突破不大的超燃冲压发动机，仍不是为一个临时的过渡方案。20世纪90年代后美军提出多个亚燃冲压甚至涡轮喷气发动机的高速导弹方案，正是这种思路发展的结果。

X- 15试验机上的试验

从理论上说，使用超燃冲压发动机的高超音速飞行器显然比助推-滑翔方式的高超音速飞行器具有更充沛的能量和更強大的机动能力，更高的平均速度也带来压缩了飞行时间。美国在超燃冲压发动机领域投入了相当大的精力，试图用先进吸气式发动机作为高超音速机动飞行器甚至是单级入轨航天器的推进系统。

X-15试验机是美国著名的试验机，也是航空飞行速度记录的长期保持者。它采用火箭发动机为动力，但也曾用于开展超燃冲压发动机研究。超燃冲压发动机最大的难点在于超音速气流中的点火和稳定燃烧。X-15-A2飞机就携带了一个超燃冲压发动机模型，主要用于检验地面超音速风洞的模拟结果是否可靠。X-15-A2进行了22次试飞，最后一次飞行中超燃冲压发动机带起的激波导致异常密度的热流，1480摄氏度的高温烧坏了腹鳍，导致X-15-A2再也没能重上蓝天。

美国海军和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室在1962年到1978年间还进行了名为超燃冲压导弹（SCRAM）的秘密研究项目。SCRAM项目中研究人员使用MK12和MK10发射系统发射固体火箭助推的超燃冲压发动机，先后试验了超燃冲压发动机在不同高度和马赫数4、马赫数5.3、马赫数7.8和马赫数10等多个速度下的飞行情况。试验显示，添加戊硼烷的甲基环戊二烯燃料的燃烧效率只略高于20%，而纯戊硼烷燃料在马赫数7时有可能产生净推力。尽管应用物理实验室的工程师们做了很多努力，但在70年代末、80年代初超燃冲压发动机技术距离产生净推力和加速度仍然遥遥无期，更不要说实际服役使用了。

国家空天飞机计划及X- 30试验机

进入20世纪80年代，美国总统里根提出了国家空天飞机（NASP）计划，1985年项目正式立项。这是一种水平起降、使用超燃冲压发动机推进的先进单级入轨航空航天器，堪称美国高超音速飞行器的集大成者。

美国航空航天局准备为这个项目研制两架X-30飞行器。X-30使用液氢燃料，机场跑道上启动加速到一定速度后，作为主发动机的亚燃/超燃双模冲压发动机开始工作，达到高超音速后最终进入轨道。

在研制的近十年时间里，美国在高超音速飞行器的总体要求、设计方法和工具、气动、材料和结构设计等多个方面取得了巨大的进步。但项目实际开始后，研究人员发现低估了先进多模发动机的难度，超燃冲压发动机可能只能推动X-30加速到马赫数 17左右，达不到入轨所需的第一宇宙速度。同时还面临从机体超重到热防护系统不过关等一系列技术难题。遗憾的是，它的单级入轨目标的难度太大，最终设计也没有实现入轨能力。冷战结束后美国国防预算削减，由于NASP的技术难度实在太大，尤其是项目超支严重，这个项目在1994年被取消。

尽管如此，它的液氢燃料超燃冲压发动机已经进行了风洞模拟飞行，后来用于X-43A试验机，成功进行了高超音速飞行试验。

“猎鹰”组合循环发动机技术

“猎鹰”计划最早是“从美洲大陆实施兵力运用与投送”的缩写，源自美国NASA的Hypersoar和美国空军的X-41通用气动飞行器项目的联合。

1998年提出的Hypersoar是一个高超音速乘波体设计方案，使用火箭基组合循环发动机，它从机场跑道起飞并由发动机加速到马赫数10和约40千米高度后关机滑行到60千米高度，滑翔回落后在约40千米高度再次启动发动机进行爬升，如此周而反复、打水漂式的高超音速跳跃不仅速度快，而且节省了燃料，同时降低了高超音速飞行的气动加热。

随着冷战的结束这些项目也都无疾而终。

最早“猎鹰”飞行器远期目标是要研制有动力的可重复使用高超音速巡航飞行器，由水平起降速度超过马赫数10的高超音速巡航飞行器投放通用气动飞行器，对敌方目标进行打击，它代表了美军对快速精确的全球打击能力的热切追求。2004年由于美国国会的反对，“猎鹰”计划从一个武器项目转变为一个高超音速验证项目，原来的高超音速武器系统改名为高超音速技术飞行器，通用气动飞行器和增强型通用气动飞行器分别改名为HTV-1和HTV-2，而HCV改名为HTV-3。

HTV-1是一种一次性的高超音速飞行器，升阻比超过2，原计划要以马赫数10的速度进行约800秒的高超音速飞行，但由于前缘曲率太高加热严重，外加碳-碳复合材料制造工艺存在应力气穴的问题。美国国防高级研究计划局决定同意洛克希德-马丁公司放弃HTV-1的制造和试验，直接轉向HTV-2飞行器。HTV-2吸取了经验教训，前缘使用了低曲率的多片式设计，易于制造也降低了热防护的设计难度，此外HTV-2设计的高超音速升阻比还提高到3.5以上，保证了更大的滑翔距离。HTV-2按计划将进行了两次飞行试验，它使用“米诺陶”4火箭从范登堡空军基地发射后，将滑翔数千千米抵达夸贾林环礁的里根靶场，飞行时间约半个小时，飞行中将进行了大攻角的俯仰和偏航机动，实现上千千米的横向机动。

2010年4月22日HTV-2进行首次试验，设计航程5890千米，但HTV-2飞行器以马赫数22再入大气层，但再入139秒后飞行器失去联系，事后的初步调查认为出现飞行器的偏航超出预期，而自动飞行控制系统无力对此修正，导致飞行器翻滚失控自毁。美国国防高级研究计划局称，没有必要对飞行器硬件或软件进行重大改进，他们准备在第二次试验中调整重心、减小攻角并加强控制襟翼，并利用反作用控制系统增大阻力。2011年8月11日美国进行了HTV-2的第二次试验，但原计划马赫数20以上再入、总飞行时间长达30分钟的试验飞行再次在约9分钟时失去联系。有些分析根据飞行器外壳大部损毁推测，第二次飞行失利可能是飞行器过热导致外壳烧蚀损坏，形成了意料之外的强大激波，导致飞行器失控坠落。

HTV-2试验在两次失败后偃旗息鼓，美军没有进行更多飞行的计划。

FaCET发动机是HYV-3X“黑燕”项目的子项目，将进行超燃冲压发动机和进气道匹配、组合循环发动机的工作状态转换、共用喷管等技术研究，并验证三元进气道的性能。“黑燕”取消后，FaCET改为模态转换项目（MoTr）的合同，继续发展先进涡轮基组合循环发动机。MoTr项目将验证从涡轮喷气到亚燃冲压再到超燃冲压马赫数0-6范围的模态转换，为此它使用速度高达马赫数3-4的高速涡喷发动机。

美国海军的“高超音速攻击导弹项目

美国海军同样进行了超燃冲压发动机的研究，“高超音速攻击导弹”（HyStrike）项目试图研制一种速度马赫数3.5～7、射程超过1300千米的高超音速导弹。该项目的特点在于它打算使用NASA格林研究中心提出的脉冲爆震发动机作为推进系统。不过脉冲爆震发动机还是全新的技术领域，而仅仅是高超音速的防热问题就相当令人头疼。美国海军曾在文献中提到，飞行器以马赫数4飞行时表面温度649℃，钛合金和英科耐尔镍合金还可以工作，而马赫数6时温度1538℃，马赫数8更是高达3093℃，防热问题非常棘手。人们虽然提出使用主动冷却或是烧蚀防热结构，但技术一直未能突破，HyStrike项目只好下马。