中科院公佈尖端技術，一旦突破，東風17全球包郵？_風聞

近些年，中、美、俄在高超音速武器領域的競爭愈發激烈，除了不斷湧現的各種新型導彈以外，“超燃衝壓發動機”這項尖端技術也逐漸被人們所認識。

恰好前些天，中國科學院力學研究所，在其官網上發佈了《第二屆全國創新爭先獎推薦項目公示》，而這則公示中正好就有相關技術。

看來我種花家也在緊跟時代潮流。

▲大家注意紅框內的項目名稱，後面會講到這個“強預冷”

本期內容，胖兵就給大家講講這種非常超前的發動機。

1、什麼是超燃衝壓發動機？

在解釋這個概念之前，小兵兵先要科普以下衝壓發動機與渦輪發動機的區別，方便大家理解後面的內容。

如果你已經對此頗有心得……再看一遍也沒有壞處，温故而知新嗎~

眾所周知，現代飛行器普遍使用渦輪發動機，它的本質就是一台空氣壓縮機，通過吸入、壓縮空氣，再經燃燒後噴出，為飛行器提供動力。

▲渦輪發動機的工作原理

在此情況下，進氣量和壓縮率直接影響着燃燒效率，從而決定發動機的推力。

想要提高這個數值，最直接有效的辦法就是放大機器尺寸，但這必然會增大自身重量，增加推力耗損不説，飛機也塞不下。

正因如此，渦輪發動機的性能極限長期被“3馬赫魔咒”所困擾，連史上最快的米格-31截擊機也僅能達到2.83馬赫的極限，而像SR-71那樣能夠突破3馬赫的飛機需要極為特殊的氣動佈局和材料，而且它僅能作為偵察機使用。

▲SR-71的最大速度能達到3.32馬赫，但代價也很大

然而衝壓發動機，卻可以較為輕鬆地突破“3馬赫魔咒”。

相比渦輪發動機，衝壓發動機的工作原理其實非常簡單又粗暴。

它直接使飛行器的迎面氣流在涵道內進行自然壓縮，再經燃燒、噴出後產生推力。

▲衝壓發動機工作原理

正因如此，衝壓發動機可以不依靠發動機本身的機械能，來決定進氣量和壓縮率，而是利用飛行速度越快、迎面氣流的流速就越快這一原理，來提高供氧密度，因此燃燒效率極高。

再加上省去了精密而複雜的壓氣機和渦輪風扇等零件，衝壓發動機不僅推重比更大，而且結構簡單、重量輕，自誕生以來，就不斷刷新着飛行器最大速度的極限記錄。

▲圖示為渦輪發動機（A）、衝壓發動機（B）、和超燃衝壓發動機（C）的結構

而今天我們要聊的超燃衝壓發動機，全稱為超音速燃燒衝壓發動機（英文簡稱Scramjet，下文簡稱超燃，而且我就不説超聲速）。

它的工作原理與普通衝壓發動機基本相同，重點就在於“超音速燃燒”這幾個字上。

衝壓發動機雖然突破了“3馬赫魔咒”，但又面臨新的“5馬赫魔咒”。

因為當飛行速度小於5馬赫時，空氣流速會因為壓縮的關係，在燃燒前就降低至音速以下，可一旦飛行速度大於5馬赫，空氣流速仍可在壓縮後高於音速。

▲使用超燃的NASA X-43A高超音速飛行器的最快速度達到了9.64馬赫

説白了，超燃就是要把流速高於音速的空氣點着，進一步提高飛行速度，這也就是“超音速燃燒”的含義所在。

2、超燃的技術難點

顯然，超燃擁有更加優秀的推進能力，但想要在技術層面實現它也絕非易事，世界上只有美、俄、中、英、法、澳、印等少數幾個國家能燒得起這個錢。

想要空氣流速在整個做功行程中保持超音速，至少需要飛行器本身的速度接近5馬赫，這就需要飛行器擁有一級衝壓助推器，達到初始運行速度後再點燃二級超燃。

以美國X-43為例，它藉助“飛馬座”火箭進行第一階段的助推飛行，達到4.8馬赫後火箭自動脱離，X-43點燃發動機開始自主飛行。

▲ 固定在“飛馬座”火箭頂端的X-43

所以初始速度這點不難做到，真正令工程師撓頭的難點在於點火和降温。

將超音速流動的空氣點燃，可不是用防風打火機點煙那麼簡單，在5馬赫的速度下，氣流通過發動機只需要幾毫秒，怎樣在如此之短的時間裏完成壓縮、燃燒才是真正的挑戰。

波音高超音速項目經理約瑟夫·沃格爾，將其比喻為“在颶風中點燃一根火柴，並保證火苗不會熄滅”。

至於要怎麼做到……具體的技術細節仍是外界無法得知的機密。

▲B-52投放X-43

除了超音速燃燒外，還有降温這個難題需要解決。

超音速的氣流會在燃燒室內產生高熱和劇烈摩擦，其程度比航天飛船返回大氣層時還要猛烈，而如此高的壓力與温度可能導致燃燒室爆炸，能否把温度控制在發動機可以承受的水平，也是超燃正常運行的關鍵。

▲X-43在高超音速風洞內進行實驗

此時，一味提高熱端部件材料的耐熱性已經不夠了，國際上的普遍做法是用主動冷卻的方式給發動機降温。

重點來了，文章開頭提到的“強預冷”技術，就是用來給超燃發動機主動降温的一種技術手段。

主動降温具體方式為，在燃燒室和噴嘴等熱端部件的表面蝕刻細微的毛細通管，並向其均勻地注入碳氫燃料，支持燃燒的同時帶走額外熱量，與火箭所用液體燃料發動機的“燃料-冷卻劑一體化”降温方式類似。

▲英國“佩刀”發動機採用強預冷技術，號稱可在0.01秒內將1000度的進氣冷卻到零下150度

這種技術的難點在於通管實在太細，碳氫燃料在其中流動時容易淤塞，而且通管的長短、彎直各異，需要在蝕刻時保證極高的加工精度，才能確保碳氫均勻、順利地流動和吸熱。

時至今日，點火和降温這兩個難點，仍是限制超燃向前發展的瓶頸，各國的實驗數據提升的也非常艱難。

▲英國人認為“佩刀”可讓飛機在4小時內達到地球上任何一個角落

美國X-43共進行了3次實驗，第一次因飛行失控而失敗，第二次和第三次分別創下6.83馬赫與9.64馬赫的速度記錄，成為世界上最快的自由吸氣式飛行器。

取而代之的X-51就沒有這麼好運，四次實驗只有最後一次成功，雖然飛行速度只有5馬赫，但它的超燃發動機卻創下了210秒穩定點燃的世界記錄。

▲X-51同樣使用B-52進行空中投放，但它的一級助推已經簡化很多

啥？

210秒嫌短？

單論時間長度的確太短，可這已經是最長紀錄，要知道印度航天局研發的先進探空火箭也使用超燃，但它只能點燃5秒……

▲印度的先進探空火箭項目，是因為沒有轟炸機所以直接在地上點燃，類似二踢腳……

3、超燃的軍事應用

前面科普了半天發動機，其實大家最關心的還是應用，尤其是軍事應用。

前面提到了，超然發動機和高超音速導彈有着密不可分的關係。

目前的高超音速導彈大致分為兩種，一種是火箭助推—滑翔型，也就是俗稱的“水漂彈”，代表型號為中國東風-17、美國C-HGB系列、俄羅斯“先鋒”。

▲去年閲兵時亮相的東風-17高超音速導彈，從東風-41那搶了不少風頭

另一種是火箭助推—超燃型，代表型號為俄羅斯“匕首”、“鋯石”，其中“鋯石”高超音速反艦導彈能夠以8馬赫的速度突防，攔截難度非常大，這歸功於超燃發動機的強大推力。

儘管前文提到的X-51也屬於這類型的飛行器，但它在完成科研實驗後就不再進行測試，也沒有直接轉入軍用領域，因此中美兩國尚無同類武器。

從技術角度來看，超燃彈的難度要比水漂彈更大。

▲“鋯石”高超音速反艦導彈，8馬赫什麼概念？每秒飛行2.6公里

説來也奇怪，美國一向在高超音速飛行試驗中領跑全球，但在武器轉化上似乎慢了一拍。

如今，美國主打的是“全平台”玩法，正在發展的C-HGB是一種通用型滑翔體，海陸空三軍均可使用。

▲ 今年3月19日，美國在夏威夷發射了C-HGB高超音速滑翔體

這其中，空軍版的“空射快速響應兵器”(ARRW)進度最快，在洛馬的強大支持下已經搞出了名為AGM-183A的乘波體彈頭，有望在2022年形成初始作戰能力。

▲AGM-183A乘波體彈頭

而陸軍的“遠程高超音速武器”(LRHW)比空軍慢一年，海軍的“常規快速打擊”(CPS)最為緩慢，可能要到2028年才能交付使用。

目前，俄羅斯的高超音速武器技術最為先進，水漂彈、超燃彈俱全，已經做到了全平台化。

▲ “欸，這怎麼好意思~”

其中滑翔彈道+乘波體彈頭的“先鋒”(Avangard)通過RS-18洲際導彈搭載，擁有很強的機動能力，可直接攻擊美國本土。

▲ “先鋒”進行滑翔概念圖

而旋成體彈頭+超燃發動機的“匕首”屬於戰術型空地導彈，可通過米格-31掛載發射。

▲ “匕首”的技術難度可能比東風-17還要更大一些

與其同類型的“鋯石”則是艦對艦導彈，可用來突破美航母打擊羣的防禦圈。

今年1月，“戈爾什科夫海軍上將”號護衞艦發射了一枚“鋯石”，成功命中了500公里外的目標。

▲“戈爾什科夫海軍上將”是俄羅斯首次全新設計和製造的戰艦，被俄海軍寄予厚望

俄副國防部長阿列克謝·克里沃魯奇科稱：俄羅斯的軍工專家計劃將把“匕首”和“鋯石”兩種導彈的最大速度提高到10馬赫，使其能夠突破當前所有的防空和導彈防禦系統。

是不是吹牛咱先不去探究，但俄羅斯人敢放這個話，就證明對上述兩種武器的基礎性能有充分信心，技術牛就是有底氣啊！

反觀咱們種花家，去年亮相的東風-17雖然引起了很大關注度，但也是我們僅有的一款，而且沒有使用尖端的超燃衝壓發動機。

胖兵分析，我們要填補超燃彈的空白有兩種方法，一種是對東風-17進行大改，將它的兩級動力改為火箭助推-超燃發動機。

▲東風-17的乘波體彈頭並不具備通用型，因此需要修改氣動外形

改造後，原本的水漂彈頭可能會變成錐形的旋成體彈頭，因為它不再需要藉助大氣層的彈弓效應進行滑翔，所以外形更像是放大版的“鋯石。”

另一種則是利用現有東風系列導彈，研發使用超燃衝壓發動機的新變體，發展出類似美國C-HGB那樣的多平台通用化發射能力。

▲陸軍版C-HGB概念圖，可由M983戰術卡車運載發射

當然，這一切還需要國產超燃衝壓發動機的突破做支撐，這也是持續發展高超音速武器所必須攻克的技術。

而文章開頭提到的“高超聲速度強遇冷空天動力研究”，則讓小兵兵看到了我國新型高超音速導彈的希望。

小兵兵相信，在不久的將來，東風快遞家族，就要再添加新的“快遞小哥”了。

而且是全球包郵的那種……

參考資料：[1] 科普中國：吸進去噴出來 真的很難！超燃衝壓發動機[2] 俄羅斯衞星網：俄國防部：“匕首”和“鋯石”導彈的速度將被提高到10馬赫以上[3] 維基百科：Scramjet、Boeing X-51 Waverider