星辰大海路上的種花家
依目前的發展來看,未來航空航天所採用的高超音速發動機主要有兩條路可以發展,傳統的火箭動機推進和新型發動機兩種。
“超燃衝壓”與 “助推-滑翔”是高超音速新型發動機的兩大流派,但前者的難度更高,要達到高超音速飛行最簡單的方式是採用火箭動力,因此在二戰後美蘇兩國進行了激烈的火箭競賽,競相發展出更大更快的洲際彈道導彈與太空火箭。然而,火箭的缺點是同時要攜帶氧化劑和燃料,因此大部分空間都要裝填燃料/助燃劑,僅有少量空間可以裝載彈頭或貨物,而噴氣飛機可以吸取氧氣作為助燃劑,只需裝載燃油作為燃料就可產生動力。
噴氣發動機的速度不能無限制提高,大概在3.5馬赫其渦輪溫度就會超過金屬上限而融化。如果取消渦輪與壓縮機,利用進氣道的斜震波將超音速氣流減速到1馬赫以下,則進氣的壓縮比就足以作為推進之用,這就是 “衝壓發動機”的原理。
但空氣減速時會同時增加壓力與溫度,當速度超過6馬赫時,燃燒室的進氣溫度會高到接近燃燒溫度,使注入的燃料無法增加氣流能量,也就產生不了推力,形成了衝壓發動機的速度上限。解決之道就是讓氣流不要減速太多,以超音速狀態穿過燃燒室,這種發動機就稱為 “超音速燃燒衝壓發動機”,簡稱 “超燃衝壓”。 超燃衝壓發動機的概念很簡單,但達成卻很困難,超音速氣流會將燃燒室的火焰吹走而無法穩定的燃燒。
像前幾年美國空軍大肆宣傳的X-51“乘波者”導彈,採用普惠與洛克達因聯合發展的油冷式超燃衝壓發動機,極速達到5馬赫,不過試射了多次,成功率不高後來下馬了。
採用 “助升-滑翔”的高超音速滑翔器僅需考慮高超音速的耐熱與複雜的氣動控制問題,而 “超燃衝壓”飛行還需多突破超音速吸氣推進的難關,因此難度更高。 還有一種簡單點的就是脈衝爆震發動機,主要通過週期性的爆炸波產生高溫高壓的熱氣流形成推力。
目前主要還是以助推-滑翔最具潛力,採用錢學森彈道設計。除了目前的與彈道導彈固體火箭發動機組合外,未來還可以與超燃衝壓/脈衝爆震發動機組合,進一步提高飛行器的動力,當然未來或將發展出更高級的混合脈衝爆震推進系統。