大氣層內高超音速飛行器使用什麼發動機(不算火箭發動機)可以達到十五馬赫以上的速度？

01-18

火箭發動機由於自帶工質，根據動量守恆定律，只要向後噴射工質，不論速度多慢，都能起到加速的作用。大氣層內空氣噴氣推進的發動機不同，因為燃燒使用空氣中的氧氣，所以噴氣速度與飛行速度的比值必須達到一定範圍，才能起推進作用，但是化學燃燒加速氣流的速度有極限值，據我調查不會超過12馬赫，那麼不藉助火箭發動機怎麼才能達到15馬赫以上的高速呢？
不管怎樣動量守恆定律要求噴流即使不比飛行速度快，但至少也不能慢很多，如果燃燒產物是CO2，那麼其中O2是空氣中的，只有C是燃料中的，也就是噴射物70%以上的質量是空氣原有的成分，因此如果噴射速度慢于飛行速度，這部分物質相比原有的狀態是被加速了，因此對飛行器加速的貢獻是負數，只有C的貢獻抵消了O2的負貢獻還有剩餘的時候，才能起到加速的效果，也就是15馬赫的飛行速度至少要基於11馬赫的向後氣體噴射速度才能達到。這還說是碳基燃料，如果是氫，噴射物是H2O，燃料成分佔比更小，就需要更高的噴流速度（15馬赫至少需要13.5馬赫以上）。化學燃燒導致氣體膨脹做功的最大速度紀錄我查到的就是3600米/秒，還不到11馬赫，我覺得這個速度決定了空氣噴氣推進的速度極限，不可能超過15馬赫。

現有技術條件下，只有超音速燃燒衝壓發動機可能達到20馬赫以上的工作速度。傳統的衝壓發動機到5馬赫的級別也開始效率大減。

關於你的分析，有兩處是存在問題的：

對流層的空氣密度決定了，人類現有材料所製作的機體結構是無法承擔萬米以下超過2馬赫的持續速壓的，即便F-22在3000米以下也是不允許超過1.8馬赫的。因此高超音速只會發生在平流層或更高，而此時音速已經有了明顯下降。在標準大氣一萬米高度時，音速僅有295m/s，隨著高度繼續提升，音速還要下降。
由於發動機的長度限制，發動機噴出的氣體並未充分膨脹就已經脫離發動機，在發動機外，噴氣仍然會持續膨脹，反向做功。因此，計算髮動機的推力時，應以噴口壓力減進氣道進口壓力，所得數值才是發動機真實推力。動量定理僅在排氣溫度較低時，可以作為近似計算之用。

傳統的發動機燃燒室設計，進氣到達燃燒室時，必須將速度降至音速以下，這是由於音速實際上代表了物質中振動波傳播速度的極限，在傳統理論中，燃燒速度的極限就是局部音速，即便是衝壓發動機，也必須利用進氣道和激波錐，將氣流減速至亞音速後再重新膨脹加速噴出做功。因此，當速度達到3馬赫後，進氣道為了減速氣流必然帶來極大的阻力，從而限制了速度進一步上升。

在超音速燃燒衝壓發動機中，進氣道對進氣影響極少，氣流僅被梳理為層流即進入燃燒室，進行超音速燃燒後，膨脹做功加速噴出，由於進氣速度幾乎被完全保留，只要噴出的氣體速度下降不太多，溫度能夠比進氣高很多，就能提供推力繼續加速。理論計算表明，到20-25馬赫後，由於燃燒帶來的附加推力，已經只有進氣本身帶來的推力10%了。

當然，如何實現超音速燃燒就算是一個黑科技了。

15馬赫可能很難。(圖來自噴氣飛機較螺旋槳飛機有什麼優勢？ - 知乎用戶的回答)不知道盡量精簡結構的無人機能不能做到。

X-30測試實驗表明，scramjet(超音速燃燒衝壓發動機)有達到馬赫20的潛能。

你的計算過程不對(看上去像按火箭發動機算的)，但猜中了結論。

吸氣式發動機的推力來源於進排氣的速度增量，排氣速度高於進氣速度，這個速度增量來源於燃料燃燒和熱功轉換提供的動能增量。

考慮到空氣含氧量只有21%，燃燒做功的能量密度只有純火箭的1/5左右，相當於把3600m/s(煤油液氧)或4500m/s(氫氧)的排氣速度打折到1.5--2km/s左右。在這個飛行速度以上，進氣的動能開始超過燃料燃燒做功。

這就是著名的衝壓發動機5馬赫極限，高超音速的定義起始點。達到這個速度並不意味著衝壓發動機立即失去推力，只是靠儘可能減少進氣動能損失才能靠燃料提供的排氣速度增量勉強產生推力，發動機性能變得聊勝於無。

超燃衝壓發動機可以避免燃燒室過熱，但流道大大加長，其他損耗增加，其實不一定比普通衝壓發動機更有效。

實際飛行試驗結果，煤油超燃衝壓發動機的X-51最大速度5馬赫，氫燃料超燃衝壓發動機的X-43最大速度9馬赫。而60年代的普通煤油衝壓發動機已經能達到4.3--4.9馬赫。

所謂的15馬赫 20馬赫是X-30計劃使用全機身再生冷卻回收整架飛機本身的空氣阻力能耗時能達到的理論速度，近乎耍流氓，而且工程上幾乎沒有可能實現。

所以用啥都不行，即使用火箭發動機也只能先在大氣層外加速後再入大氣層滑翔。

當今世界的主流航空發動機原理無非是使用馮·布勞恩的助燃火箭推力原理，馮·奧安的和軸流式噴氣發動機原理，以及古代中國的竹蜻蜓原理。

今天的所有航空發動機技術皆為以上三種基本原理的效能提升或設計改良。

核心都為生產推力，空氣推力，火箭推力。

但速度的大小並不完全由發動機決定，還要看飛機的設計。

但是可以肯定的是，當前即使在速度上最高的發動機-超燃衝壓發動機，也很難突破10馬赫，因為發動機都有推重比限制與空氣動力學限制，過大的加壓載荷需要更具耐高溫和強度的材料。鈦合金已經讓黑鳥幾乎不能做高速機動，因為太脆…

人類史上有速度超過10馬赫的飛行器，而且也不是以上原理髮動機，而是紹貝格爾發動機。二戰期間，納粹德國科學家紹貝格爾開始與馮·布勞恩，馮·奧安分別成立不同研究所，為希特勒研製用於不同武器的不同發動機與奇怪武器，均取得人類科技史上的巨大突破。

紹貝格爾發動機原理是通過極速燃燒氫和氧使外部某方向形成真空從而「吸引」飛行器前進，這裡所說的飛行器是指別隆采圓盤。也就是真正意義上的飛碟，由於發動機裝在四周，它的上升速度遠遠大於平飛速度，第一台裝有16台發動機的無人實驗機，真空形成的上升速度超過13000km/h。伴有爆炸聲音，而且發射後再也沒有回來。

相對於發動機，更為人所知的是它的載體，別隆采圓盤。有更多資料可以參考，而發動機卻和第三帝國一起淪亡。

已知紹貝格爾發動機不排出任何廢氣，全電力驅動。不受推重比影響，發動機越多，動力越強。前進方向不受空氣動力學影響，空氣密度越低，速度越快。任何方向均可移動…

由於歷史的選擇，它只參與過一次戰鬥，並撤退。依照戰敗國慣例應該會如多拉巨炮，鈾濃縮，霍爾騰2-29一樣銷毀，但還是被執行回別針計劃的美軍找到機體及部件

。

當時德國航空科技領先盟軍至少20年，戰後美蘇法對納粹科學家與技術人員分贓。

馮·布勞恩加入美國國籍，並最終幫助美國完成登月計劃。

由於手機輸入，無法做錨鏈，一些詳細資料可百度關鍵詞

現如今高超聲速飛行器大多用的是超燃衝壓發動機，很多國家(美國、俄羅斯、日本、法國、澳大利亞、天朝等等)都做了很多飛行試驗，可以達到一些預期效果。國外的實驗一般比較偏重於尋找邊界工況所以失敗的比天朝看起來多一些，但他們獲得的有效數據也多

而且高超聲速飛行器達到那麼高的速度和他的外形也有關係(多採用乘波體外形)

你可以搜一下關於高超聲速飛行器或者超燃衝壓發動機的論文看看，會有收穫的

題主既然都想了這麼多，為什麼不找本航空發動機的科普書看？劉大響寫過一本挺好的書，最後一章提到了好多種新奇的航發。

狐蝠和黑鳥馬赫數才3，為了搞定熱障已經飛的相當高了（當然飛的高也有躲避地對空導彈和攔截的目的），馬赫數達到10以上，必然得在高空或者更高的空間飛行，稀薄的大氣對於傳統的燃氣渦輪機太苛刻了。

最有希望的是超然衝壓發動機，來自於衝壓發動機。採用液氫或者碳氫燃料，理論工作區間為6到25馬赫。

黑鳥的變循環發動機J-58，用了衝壓發動機，不過只是一部分而已，打輔助的，題主可以在網上找到很多變循環發動機的資料。