主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

然而，所有涡轮发动机在速度上升到一定程度时，核心发动机的机械部分都开始“碍事”，使速度继续升高时，阻力的上升明显超过推力的上升，最终不能产生净推力。这就好像早年蒸汽船用两侧的明轮推进，速度上升到一定程度，就要用螺旋桨推进；速度再高，就必须用喷水推进的道理一样。最适合2-4马赫超音速巡航的其实是冲压发动机。冲压式发动机的发明其实比涡喷还要早，法国人Rene Lorin在1908年就提出了冲压发动机的第一个专利申请。另一个法国人Rene Leduc很早就开始研究将冲压发动机送上天，但是第二次世界大战爆发，逼得Leduc东躲西藏，直到49年才试飞成功。冲压发动机（ramjet）的结构十分简单，除了进气调节锥和尾喷管外，没有运动部件，发动机的主体就是一截空心筒子。冲压发动机利用空气的动压压缩空气，在燃烧室内燃烧膨胀后，喷出尾喷管做功。冲压发动机在高空高速时油耗比涡喷还低，但是冲压发动机在0.5马赫以下根本不能工作，到音速以上才能稳定工作。即使在音速以上，也对进气条件很敏感，最优工况在很狭小的范围，甚至机动飞行都可能严重影响工作条件。作为飞机发动机，冲压发动机必须和别的发动机一起使用，由别的发动机将飞机起飞、加速到冲压发动机的工作速度和高度再使用。这种组合式发动机最简单的形式就是火箭-冲压发动机，广泛用于多种导弹。简单一点的，在冲压发动机周围捆绑一圈火箭助推器，或者反过来，在火箭弹体周围捆绑冲压式发动机，如美国的“波马克”防空导弹；也有将火箭助推器和冲压发动机串联的，助推器燃烧完毕后抛弃，如英国的“海标枪”舰空导弹。高级一点的，火箭助推器和冲压发动机共用燃烧室，火箭燃料耗尽后，燃烧室正好空出来，给冲压发动机使用，如欧洲合作的“流星”中程空空导弹。

冲压式发动机没有压缩机和涡轮，消除了机械能量损耗，高速阻力也小，是超音速飞行的好选择

“波马克”防空导弹是美国和加拿大50年代的主要防空导弹，专用于截击高空高速穿越北极上空的苏联核轰炸机，是“导弹代替有人驾驶截击机”思想的终极体现，对加拿大取消CF-105“箭”式战斗机计划有重要作用

波马克防空导弹的分体式冲压发动机清晰可见

英国“海标枪”舰空导弹，其冲压发动机的进气口清晰可见

马岛海战时，“闪光的谢菲”也装备了“海标枪”，但是没有能够截击阿根廷的“飞鱼”反舰导弹，这是和“谢菲尔德”号同级的Newcastle号

欧洲合作的“流星”式中程空空导弹

“流星”导弹采用整体式火箭-冲压发动机，火箭和冲压发动机共用燃烧室

苏联的SA-6防空导弹也是整体式火箭-冲压发动机，不过SA-6的冲压发动机用固体粉末燃料，在预燃装置内贫氧燃烧，产生温度、压力并流化没有燃烧尽的燃料粉末，然后喷射进主燃烧室进行冲压燃烧。这是非常先进的技术。固体燃料的能量大大高于液体燃料，但是固体燃料用于冲压发动机在此之前一直是一个技术难关。法国向俄罗斯购买了这个技术，并加入自己的改进，用于多种新型导弹

与SR-71同时代的D-21无人侦察机也是冲压发动机

别忘了中国的C301岸舰导弹，也是采用分体式火箭冲压发动机推动

最变态的冲压发动机还要算美国“冥王计划”（Project Pluto）的“超音速低空导弹”（Supersonic Low Altittude Missile，SLAM）的Tory发动机，用核动力冲压发动机！核冲压发动机的结构并不复杂，用核反应堆加热冲压进来的空气，别的和常规的冲压发动机没有本质的不同。SLAM用火箭助推器起飞，达到工作高度和速度后，在远离人烟的地区转为核冲压动力巡航。核动力可以持续几个月，所以可以升空后在待命空域徘徊，直到最高统帅部下达核攻击的命令，才转为在300米高度的超低空以三倍音速飞行，采用20多年以后才在巡航导弹上常见的地形匹配制导系统，射程达11000公里。SLAM可以携带多个热核弹头，沿途投放。因为核动力段主要在海上和敌国上空，SLAM的核反应堆没有屏蔽，在核反应堆里加热的空气是不是有放射性，到现在也没有定论。实际上，在这样的低空超音速飞行，沿途的核辐射和音爆造成的破坏就够大了。连带没有耗尽的核反应堆一头扎下去，不要战斗部就够敌人一呛。还有人建议，核弹头投放完后，不要直接一头扎下去同归于尽，在敌国上空绕圈子转，核辐射和音爆就有足够的杀伤力。冷战时期的思维就是这样的毫无人性。SLAM的核心在小巧的核反应堆，其工作温度达1600度，对材料的高温强度和冷却技术是一个极大的挑战。反应堆采用大量铅笔粗细的陶瓷质核燃料棒，委托Coors陶瓷公司制作。Coors作为陶瓷专业户，也为酿造业的容器大量制造陶瓷衬里。常在河边走，也被河里的精彩世界所吸引，投身酿造啤酒，以至于今天人们只知道Coors啤酒，不知道Coors陶瓷，不过这是题外话了。SLAM的核冲压发动机的代号为Tory，设计中实在有太多的问题无法解答，必须作全尺寸试验。为了避免试验造成核污染，特意在内华达核试验场附近的Jackass Flat（jackass是骂人话，这个地名真是绝！）建造试验设施，用长达40公里的石油钻探时用的套管，内容450吨的空气！试验后，有一条全自动的铁路将Tory发动机运到附近的设施，由全遥控的机器人将Tory拆卸开来，科学家们用闭路电视遥控检查发动机的部件，这都是在61年的时候！为了预防万一，科学家们躲在远处的核掩蔽部里，里面有足够两个星期的食物和饮水。如果静态的发动机试验都要如此兴师动众，飞行试验和实战部署不知道应该怎样？Tory发动机成功地在地面试验过，但是地面发动机试验是一个问题，实弹全程飞行试验是另一个问题。即使在海上试验，涉及的面也实在太大，对航船是极大的威胁，最终抛弃在海里，对环境也是极大的威胁，即使在60年代也是不可接受的。更有甚者，万一导弹失控，这么个在超低空飞行的不断散布核污染的反应堆可能在世界上空游荡几个月之久，谁也不知道拿它如何是好。击落的问题更大，要是不是地方，坠毁的无屏蔽核反应堆要造成严重的地面核污染。SLAM最终也要飞经美国和盟国的上空，对敌人和对自己是同样的威胁，如何处置这类问题，谁也没有答案。与此同时，洲际弹道导弹的发展意味着SLAM的概念已经过时，最后在64年下马。

SLAM的1/10模型

SLAM需要火箭助推器起飞，一旦达到核冲压发动机的工作速度，就转入核动力，其续航能力可以在空中徘徊达数月之久，其间可以多次投放子弹头，以便最高统帅部灵活决策

这就是“冥王计划”的负责人Ted Merkle博士

SLAM的核燃料棒直接就暴露在空气流里，直接加热空气，产生冲压推力

SLAM的Tory发动机的核反应堆，功率达到50万千瓦！

长达40公里钻井套管里装了450吨空气，用来测试Tory发动机

• 哈，以前贴过冲压到PDE的问题

但是火箭-冲压发动机的火箭助推器是一次性使用的，不适宜于反复使用的飞机发动机，最好采用涡喷-冲压发动机，三倍音速的SR-71侦察机的J58发动机就是这样一种发动机。J58在加力燃烧室身兼两职，一是用作涡喷状态的加力燃烧室，二是用做冲压发动机的燃烧室。进气道有活门，在涡喷状态时将气流导向核心发动机，在冲压状态时将气流绕过涡喷的核心发动机，导入加力/冲压燃烧室直接燃烧做功，达到冲压式发动机的效果。一般说法是SR-71的整个3马赫飞行部分都是在用加力推力，其实不如说是冲压式推力。冲压状态时，涡喷部分怠速运转，不提供推力。

三倍音速的SR-71战略侦察机

SR-71的J58涡喷-冲压发动机示意图，上为涡喷状态，下为冲压状态

日本的ATREX发动机计划用于单级入轨的高超音速飞行器，采用液氢作燃料，低速时相当于涡喷，高速时相当于冲压发动机，是一种比较奇特的发动机构型。液氢在进气道通过换热器和受到压缩升温的进气作热交换，空气降温，进一步增强进气压缩的效率，液氢升温气化，准备用作燃料。但是在液氢进入燃烧室之前，与燃烧室后炽热的燃气再一次作热交换，氢气进一步升温增压，形成所谓Brayton循环的热机。高温高压氢气回到发动机前半部，在低速飞行时，高压氢气射流吹动风扇的叶尖，向水车那样从叶尖驱动风扇，压缩进气，风扇的中轴则是自由转动的，这时相当于没有常规的燃烧室后涡轮的涡喷发动机。在高速飞行时，氢气停止吹动风扇叶尖，风扇像风车一样自由转动，但桨叶的角度对准进气气流，最大限度地减小进气的压力损失，这时相当于冲压发动机。高温高压氢气在吹动或者绕过风扇叶尖后，通过环形混合装置和进气混合，氢气本身的温度使燃气更容易达到高温，达到节约燃料的效果，环形混合装置本身也作为火焰墙（flame holder）。尾锥控制燃烧室的背压，同时控制喷流的速度。ATREX的设计理念是很精巧的，已经经过多次实验室规模的试验，但还没有进入实用阶段。

ATREX发动机结果示意图，蓝色为空气的走向，红色为液氢/氢气的走向

进气道后燃烧室前的空气预冷器

风扇的“风车”叶片

燃烧室后的换热器

ATREX不是采用进气预冷的唯一设计，80年代时，英国研制水平起降、单级入轨的空天飞机（HOTOL），计划采用的罗尔斯·罗伊斯RB545发动机，就是采用预冷的。但是HOTOL计划下马，有关人员拉出来单干，自组Reaction Engines公司，开发SABRE，同样采用液氢作燃料，但是用氦气作为Brayton循环的工作介质，计划用于Skylon空天飞机。预冷发动机的一个变形是所谓air breathing rocket，意为吸气火箭。火箭发动机和吸气发动机（包括内燃机、喷气发动机等所有利用空气中的氧燃烧的发动机）的最大差别，就在于火箭燃料中含有氧化剂，所以不需要空气，不管周围到底有没有空气可用。在外层空间，除了离子推进等科幻级的超先进技术，火箭是唯一的选择。但是在大气层内，火箭发动机自带的氧化剂不光是一个浪费，还要用额外的推力来补偿氧化剂的重量。吸气火箭不自带氧化剂。在大气层内，吸气火箭用液氢燃料将流经的空气深度冷冻，分离出液氧，作为火箭发动机的氧化剂。液氢深度冷冻空气后，自身气化，正好作为燃料。由于制备的液氧有富余，火箭可以跃上大气层之外，避免空气摩擦阻力，飞得更快更远，或者直接往太空飞行。液氧耗尽后，再飞回大气层，制备更多的液氧，如此往复。

英国《飞行国际》杂志封面的HOTOL想象图

Skylon空天飞机想象图

尽管部分利用了冲压发动机的较高的推进效率，SR-71的耗油率仍然惊人，从英国起飞去利比亚执行侦察任务，一离地就需要空中加油，来回总共需要8次空中加油。如此耗油率用于民航，显然需要巨大的回报才能获得经济效益。然而，和高亚音速相比，两倍音速的效益不够显著。即使超音速客机的巡航速度为2马赫，起飞、加速、减速、着陆都要时间，这还不算在机场滑行道待命起飞和着陆前在机场上空盘旋等待着陆许可的时间。对于典型的10小时越洋飞行来说，这些时间加起来达到1-2小时并不罕见。如此一来，从伦敦到纽约，办事紧凑一点，两倍音速勉强可以当天来回，但是欧洲内陆到美国中西部，两倍音速就不够当天来回。如果朝发夕不能归，超音速飞行的早上走下午到，和高亚音速旅行的过夜旅行，对旅客来说相差并没有那么大，反正一天耗在路上。对航空公司来说，理论上可以再发一班晚上走上午到的航班，但是超音速客机的噪声问题使协和式不得在夜间起飞着陆，除非新一代的超音速客机发动机的噪声有显著降低，这实际上限制了超音速客机的出勤率。除了越洋飞行，北美和欧洲大陆上空仍然受音爆法律限制，仍然不得超音速巡航。这些实际因素冷却了人们对投资发展新一代的超音速客机的热情，但这不妨碍人们对更快的高超音速客机的探索。

• 哈，以前贴过冲压到PDE的问题