超燃衝壓發動機一二

一、從齊奧爾科夫斯基公式說開去

齊奧爾科夫斯基公式，為蘇聯科學家К.Э.齊奧爾科夫斯基於1903年所提出，即在不考慮空氣動力和地球引力的理想情況下計算飛行器在發動機工作期間獲得速度增量的公式，即V=v0*ln(M0/mk)，式中V為速度增量，v0為噴流相對火箭的速度，m0和mk分別為發動機工作開始和結束時的火箭質量。

我們觀察這個公式，可以很容易的發現如果需要提高飛行器的最終速度，有提高噴流速度和降低載荷比兩條路。也就是說，選擇噴流速度更快的燃料，或者用更多的燃料送更少的貨物。當然了，這兩條路的收益差距很大，這是因為載重比在本公式中是成對數形式（如下圖所示）出現，而噴流速度與最終速度卻成正比。所以，噴流速度的微量提升，也可以帶來載重比的巨大提高。

緊接著，我們再來看v0，也就是噴流速度。這其實就是比沖。比沖的定義為單位推進劑的量所產生的衝量。Is=v0/g，其中g是重力加速度。所以，我們討論發動機的噴流速度實際上就是在討論比沖。

接下來，我們把公式連起來，如果需要理解比沖變化，對載重比的影響，我們可以假設兩種發動機的飛行器最後達到同樣的飛行速度。得到下列等式：

舉個簡單例子：假設比沖提高到原來的10倍，那麼ln(M0/mk)就從2變成了0.2。M0/mk就從是7.39變成了1.22。一百噸的飛行器能拉幾十噸的貨物，是不是很像現在的飛機？

實際上渦輪風扇發動機的確就是比沖遠高於火箭發動機的存在（相差一個數量級），如下表：

可以顯見，超燃衝壓發動機作為吸氣發動機在去除了攜帶氧化劑的情況下，必將獲得遠超過現在液態火箭比沖。作為空天往返飛行器的基礎（第一級），其優勢不言而喻。所以各國在高邊疆的競爭中，高度重視超燃衝壓發動機也就很好理解了。

二、衝壓發動機

衝壓噴氣發動機是一種利用迎面氣流進入發動機後減速，使空氣提高靜壓的一種空氣噴氣發動機。衝壓發動機沒有壓氣機（也就不需要燃氣渦輪），所以又稱為不帶壓氣機的空氣噴氣發動機。在Ma3~6之間，進氣激波很強，無需壓氣機即可對進氣充分壓縮，進氣氣流從超音速降低為亞音速（低於Ma0.3)，進入燃燒室燃燒。這就是比較常見的亞燃衝壓發動機。

當Ma高於6的時候，氣體總溫已經高於1500K，這是亞燃衝壓發動機的效率大大降低。因此，保持進氣氣流以超音速流入燃燒室燃燒，這就是超燃衝壓發動機。

超燃衝壓發動機與傳統發動機相比，阻力較大，因此必須和機體一同設計，將前機體做為壓縮段，而後機體作為膨脹段，放在高升阻比的機體下方。這也就構成了我們常見的高超音速飛行器的外形，另外一部分是因為進行側滑機動的需要。

三、超燃衝壓發動機分類

1、純超燃衝壓發動機

沒啥好說的，純粹進行超燃衝壓的發動機，只能工作在6馬赫以上。

2、雙模態超燃衝壓發動機

只有一個燃燒室，但可以進行亞音速氣流也可以進入超音速氣流，從而實現4馬赫的速度範圍適應（4~8馬赫）。如果特殊設計的變形機構，可以在2~12馬赫內使用。

3、雙燃燒室超燃衝壓發動機

顧名思義，兩個燃燒室，分別進行亞音速和超音速氣流燃燒，可以在3~6Ma使用。我國於12年完成了軸對稱雙燃燒室超燃衝壓發動機實驗。

4、組合式超燃衝壓發動機

集合了渦輪、亞燃、超燃、火箭的全速度段發動機。目前中國的計劃是渦輪-火箭-衝壓組合循環發動機預計年底實驗，應該是目前全世界最全的一種了（不知道是不是類似於SABRE）。美國很早就開始了TBCC的實驗，後續轉到RBCC的實驗。RBCC分為火箭引射、亞燃、超燃和純火箭四個工作狀態，火箭捆綁在軸對稱超燃發動機周圍。理論上來說，RBCC可以實現從0~25Ma，從地面到軌道的全域使用。

美國的組合發動機構想，由一個渦輪發動機和一個雙模超燃衝壓發動機構成，這是一種並聯式組合。總的來說，組合發動機是未來的希望，但是大家都還在很初期的階段，直接表現就是各種方案、組合滿天飛。恐怕只有燒夠了足夠多的錢，我們才會有統一的樣子。

四、我國的超燃衝壓發動機

根據已故劉興洲院士提出的設想，我國的高超聲速技術的發展將分三步走：

1，2020年前，研製出高超聲速巡航導彈，最大速度6馬赫，射程1000~2000 km，可多平台裝載;

2，2020~2030年，研製出高超聲速飛機，巡航速度超過5馬赫，航程上萬公里，實現1~2小時全球到達;

3，到本世紀中葉，在前兩步的技術基礎上研製出空天飛機，可重複使用，跨大氣層飛行，高空速度可達12~25馬赫;能直接進入地球軌道，完成任務後再入大氣層滑翔、水平降落。