互动科普

空气喷气发动机利用一种特殊的空气喷气发动机推动，高性能高超音速飞行器甚至能够“飞”入轨道——这种可能性40多年前就首次被想到了。如今随着此项技术的成熟及对更有效地球至轨道推进器需求的增长，科学家已开始认真地思索使用此类系统进入太空的问题了。

同火箭相比，空气喷气发动机具有几个优点。由于空气喷气发动机利用大气层中的氧气，因此它们只需很少的推进剂——需要燃料，却不需要助燃剂——从而使其发射装置更轻更小更便宜。为了产生同样的推力，空气喷气发动机所需的推进剂少于火箭所需推进剂的七分之一。此外由于空气喷气发动机依靠空气动力而不是火箭推力，所它们具有更高的灵敏性，从而具有更高的安全性。飞行可以中断，此时飞行器可滑行地球，飞行计划也就更具灵活性。

过去40年间火箭技术不断进步，改良了又改良，与之相比作为发射装置的空气喷气发动机相对还不成熟。现在，高超音速空气喷气推进器时代才刚刚到来。

当然，喷气发动机并不是什么新玩意儿，其工作原理是压缩大气的空气，将其与燃料混合。点燃这种混合物，膨胀的燃烧产物就提供了推力。但是，涡轮喷气发动机（如在民航机和战斗机上所见到的那种)速度最大仅限于3或4马赫，高于此速度，压缩空气的透平和桨叶就会遭受过热的损害。

幸运的是，在这样高的超音速下，如果把发动机设计成空气是“冲”压的形式就不需要透平了。这种发动机具有特殊形状的空气入口。当飞行器快速通过大气层时，就延缓空气流速并压缩空气，除非行器高速飞行，否则冲压喷气发动机就不能工作。因而，冲压喷气发动机必须与涡轮喷气发动机装在同一发动机壳内，例如法国GriffonII型试验飞机就是如此，它在1959年的一次飞行中创下了每小时1640公里(1020英里／小时)的速度记录。冲压喷气发动机还可与火箭联合用于地对空和空对地导弹中。但冲压喷气发动机的速度限制为6马赫，高于此速，燃烧室就会变得如此之热，以致燃烧产物(水)就会分解。

为达到更高的速度，超音速燃烧冲压喷气发动机就在入口处减轻气流的压缩，使它的速度的减慢不至于过大。由于气流速度仍保持超音速状态，其温度就不会象在冲压喷气发动机中那样急剧升高。燃料注入超音速气流之中从而发生混合并且必在1毫秒内燃烧。虽然超音速燃烧冲压式发动机的速度上限尚未确定，但是从理论上讲它高于轨道速度的范围(20至25马赫)。不过，这种极端速度会引起严重的结构应力，因而超音速燃烧冲压式发动机相对于火箭的优势就变小了并且可能没有什么实际意义了。

高超音速空气喷气发动机能用多种燃料进行工作，包括氢气和碳氢化合物。美国的航天飞机液氢为动力，空间发射选择也是这种燃料，因为在其燃烧之前，可用于冷却发动机和飞行器。碳氢化台物的利用就没有这么有效，并仅限于速度低于8马赫左右的情形。

超音速燃烧冲压式发动机为动力的航天器必须设计得能够获得大量的空气，发动机和飞行器间的界限有些模糊。迎面气流主要由飞行器下侧改变方向，从而增加变向空气的压力。一般情况下，这种变化大得足以产生称为激波的压力间断，这种波起初在飞行器的前端凸出部分产生，然后通过大气传播。飞行器下部和激波之间的大多数压缩空气导入发动机，随着空气流动的减慢和燃烧区里燃料的燃烧，空气就变得越来越热。反应的最终产物在内外喷管中膨胀，从而产生推进作用。装置内下部的高压还产生升力。

为了扩大超音速燃烧冲压式发动机的运行范围，工程师已经设计出了能以超音速燃烧冲压或冲压两种方式飞行的飞行器。两种方式运行，既可以通过建造几何形状可变燃烧室的方式实现，又可通过在不同位置喷射器问移动燃料流的方式实现。

因为在速度低于2马赫或3马赫时，超音速燃烧冲压式发动机和冲压喷气发动机都不能有效运行，所以需用第三种类型的推进器(也许是涡轮喷气发动机或火箭)来作起飞，可能用于空间飞行器的所谓箭基联合循环发动机，依赖的是装在超音速燃烧冲压式发动机燃烧室内的火箭。为起飞到亚音速到低超音速再到冲压喷气发动机速度提供推力。冲压喷气发动机运行之后接着是超音速燃烧冲压式发动机提供推力从而使速度至少达到10或12马赫。此后，再利用火箭补充超音速燃烧冲压式发动机的推力速度达l8马赫以上之后，火箭本身推动飞行器进入轨道并使其在空间运行。国家航空航天局目前正在检验这种系统的几种变型。

不过，首先还要做许多工作检验超音速燃烧冲压式发动机，借助先进的计算流体动力学和工程设计方法，有可能开发出一种将超音速燃烧冲压式发动机融入其结构之中的发射装置。存在的难题还有：开发轻型高温材料，保证燃料快速而有效地混合和燃烧，将不需要的热量降到最低限度。

70年代，航空航天局兰利研究中心用高超音速装置模型和风洞解释了超音速燃烧冲压式发动机的基本技术原型。发动机的其它地面试验在美国其它地方及英国、法国、德国、俄罗斯、日本和澳大利亚等地进行，进行相关研究的国家有中国、意大利和印度等。今天，科学家在按步就班地进行模拟速度高达15马赫的超音速燃烧冲压式发动机的地面试验，在飞行试验中，俄国人已揭示了速度达64马赫的两方式超音速燃烧冲压式发动机的冲压喷气发动机运行情况。

不过直到最近，还没有任何飞行器以超音速燃烧冲压式发动机为动力飞行。但是，这种最终实验已接近实现。航空航天局通过在其兰利研究中心和德莱登飞行研究中心的高超X研究项目，目前正在建造3.6米长的航天器X-43A，它将在今后3年内展示超音速燃烧冲压式发动机在7马赫和10马赫速度下的飞行情况。

如果一切进展顺利，试验将为超音速燃烧冲压式发动机推进器的未来应用铺平道路，可能用于高超音速飞行进入太空的飞行器中。