【亂流爭迅湍，噴薄如雷風】衝壓發動機漫談（1）基本原理

一切從定義出發

在討論衝壓發動機之前，有必要提出這樣一個考察定義的問題：「什麼是火箭發動機，什麼是空氣吸氣發動機，兩者有什麼差別？」

根據工質（空氣）的來源，我們一般把發動機都可以分為了空氣吸氣發動機以及火箭發動機。兩者最為本質的區別在於火箭發動機使用的空氣工質是自帶的，而空氣吸氣發動機的空氣工質是截取其發動機周圍。

熱化學動力系統有多種類別，一個熱化學動力系統主要由熱機和推進器組成。一些動力系統的熱機和推進器是分開的，例如螺旋槳（推進器）是由內燃活塞發動機（熱機）制動的，而一些熱機和推進器是一個整體，使用一個工質，例如渦輪噴氣發動機與衝壓發動機。因此根據這個區別，又把空氣吸氣發動機這個大類分為了空氣螺旋槳發動機以及空氣噴氣發動機。

衝壓空氣噴氣發動機就是空氣噴氣發動機的一種類型。

但這些簡單的道理在衝壓發動機的一個子類別：衝壓火箭發動機上就產生了一些麻煩。原本涇渭分明的分類問題實際總是被工程中奇怪的組合而攪亂。

衝壓火箭發動機在結構上為火箭發動機與衝壓發動機的組合。注意不是一套火箭發動機加一套衝壓發動機的組合，而是一套發動機兩種機制，低速時使用火箭發動機機制，火箭發動機起壓氣機的作用。到達衝壓機制啟動速度後，火箭發動機機制轉為衝壓發動機機制。

衝壓發動機的基本原理

戰後一段時間，擊敗了音障之後的人類發現又有一些新的難題攔住了最求更快的航空器材的腳步，而這些難題擊中了渦輪/渦扇發動機原理上的一些問題。

隨著馬赫數的增加，氣流總溫會急劇增加，在高馬赫區間對渦輪葉片的強度提出來嚴峻的考驗。但另一方面，發動機向前運動時進氣口的氣壓會隨著導彈相對速度的增加而升高，在亞音速階段靜壓比上升是非常緩慢的，但這個上升曲線在超音速過程（3-4M）會有一個突變的斜率，此時空氣靜壓比上升是比較快。在這種壓強下渦輪發動機的壓氣機是可以省略去的。

而衝壓發動機在原理上有效地利用了上述問題。因此在30年代40年代的大量理論研究基礎上，50年代衝壓發動機開始了應用階段。

具體如何利用從構造上可以一覽。

衝壓發動機的進氣口「初極狹，才通人。復行數十步，豁然開朗」，這個進氣口也被稱為擴壓器，通過進氣口上述形容的構造，作用是使空氣在進入燃燒室前降低速度，將超音速氣流流速將為亞音速（一般而言），從而使氣流動能轉化為壓力能，因此擴壓器的作用總結起來就是要儘可能小的損失下減速增壓，提供燃燒室入口的速度場。總壓力是由總流量轉化，而這個高壓氣體會與發動機燃料在燃燒室中混合後點燃，氣體總溫度和焓值得到增加，然後燃氣通過尾噴管膨脹加速後排出，從而將流體焓變為動能來推動發動機繼續前進。

華生，盲點在於，這個過程中，進氣流速（相對而言就是導彈的飛行速度）決定了壓力能（或者說類似其他發動機的氣體壓縮比），而壓力能的大小決定了噴口流速。等於進氣速是與噴口速間接相關，因為中間的過程響應滯後，前一秒噴口流速是小於後一秒的噴口流速，也就是說衝壓發動機本質上是會越飛越快。這一特性具體會反映在後面展示的特性曲線上，隨著馬赫數增加衝壓發動機的單位燃料消耗量和推力比會有明顯變化。當然實際上擴壓器會面臨複雜的激波與附面層問題，遠遠不會這麼理想。

但這也就是衝壓發動機可以高速度的原理來源。

等等，華生，還有個問題，我們上述過程成立的基礎是進氣口有一定空氣流速，也就是此時彈體速度不為0，即衝壓發動機當導彈從靜止到起飛這段時間根本不能工作。

是的，這也是為什麼衝壓彈通常會使用助推裝置來組合動力裝置的原因。助推裝置現在有助推火箭，或渦噴/渦扇發動機，這些助推裝置使得衝壓彈到達可以啟動速度後終止工作（有些會拋離彈體），這個啟動速度對於超音速衝壓彈一般是2M。亞音速衝壓發動機是例外，工作在0.5M以上1M以下。這是由於這種彈有自帶壓氣機，因為體積大在亞音速靶機靶彈上採用（是因為衝壓發動機構造簡單造價相對低）。

衝壓發動機優劣勢

對於發動機的單位重量推力，比沖，單位燃料消耗量SFC，以及航程參數是有著一系列的公式計算。在決定偷懶不打開公式編輯器後我在下文直接以函數圖來比較。

比起火箭發動機，因為不需要自導氧化劑（火箭發動機普遍氧化劑要佔到火箭推進劑總重的70%~80%），衝壓發動機的比衝要比火箭發動機高4~6倍。

當然在1.5M以下衝壓發動機的工作效率是不如渦扇/渦噴發動機，因為過小的流速產生過小的壓力能燒掉了本來可以更好使用的燃料。但在大於2M時，衝壓發動機的經濟性是最好的。

與渦扇/渦噴相比，衝壓發動機不需要造價昂貴，加工困難的壓氣機，衝壓發動機造價上有結構優勢，當然具體造價仍舊是工程問題。

工程類問題的核心是選擇在給定區間的最優方案，衝壓發動機的在主場區間內的優勢在圖內是鶴立雞群一樣明顯。

而除去這些區間表現，我們可以簡單歸納衝壓發動機的特點。

優：

• 構造簡單，幾乎是一根飛行的管子。
• 無轉動部件，因此進氣道和燃燒室設計較為隨性。
• 無葉片，燃燒室允許更高燃燒溫度。

• 不能靜止啟動。

• 在劣勢區間，即低速段性能和效率比較差

題圖：X-43A，使用超燃衝壓發動機，可達到10馬赫（2004年）。

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在熊三事件後就有些想理下衝壓反艦導彈的相關，結果開篇本寫衝壓反艦導彈的原理，越寫越跑題，乾脆把重點轉為了衝壓發動機。 - -II

一直關注 兵器迷的天空，從前輩的博文中學到了很多知識，現在也斗膽效仿這位前輩，以兵器裝備的原理知識為主，閑聊雜談，只是相形見絀，眾位休得見笑（撓頭）。