吸气式发动机

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多年来，工程师们一直致力于设计一种具有超音速，即大于5马赫或5倍于音速的飞机。这种由吸气式喷气发动机推动的高性能超音速飞机甚至可以到达地球轨道——这是40年前对于该可能性的第一次大胆设想。

最近，随着科学技术的成熟以及对地空发射要求的提高，科学家已经开始认真考虑通过该设备前往太空的可能性。

较之火箭来说，吸气式发动机有诸多优势。因为吸气式发动机消耗的是来自大气层的氧气，因而对推进剂——燃料的需要也就更少；同时又不需要氧化剂，因此发射更轻便、廉价。若要产生同样的推动力，吸气式发动机需要的推进剂仅为普通火箭的1／7。

此外，因为吸气式发动机依靠空气动力而不是火箭推动力，因而具有更大的机动性，安全性也相对较高：飞行可以随时取消，飞行器通过滑翔返回地面。任务执行起来也更具灵活性。但是，较之相对成熟的火箭技术来说，使用吸气式发动机运载飞行器的技术还不很成熟，因为火箭技术得到了持续改进和调整，相对完善。

当然，吸气式发动机(通过压缩空气、燃烧混合燃料而产生推动力)并不是什么新鲜事。但是，诸如那些为适应商业以及战斗需要而设计的涡轮式发动机仅限制在3马赫-4马赫，因为超过这个速度的话压缩空气的涡轮以及齿片就会因为温度过高而受损。

所幸的是，如果发动机的设计是为了压缩空气，那么超音速转动的涡轮是不需要的。因为这种发动机的通气道是经过特殊设计的，当飞行器高速穿过大气层时，发动机通气道可以减缓空气流速并压缩空气。在地对空、空对地导弹发射中，喷射式推进引擎也已与火箭合二为一。但是冲压发动机的局限性在于它的速度只有大约6马赫，如果超过该速度，燃烧室的温度过高就会使得燃烧产物(水)分解。为了获得更高的速度，超音速燃烧冲压发动机减少了通气口处的压缩气流，使得减速显得不太明显。因为气流使超音速得以保持，同时温度也不会像喷射式推进发动机那样骤然上升。

燃料被推进超音速运行的气流中，在那里混合，并在毫秒之内燃烧完。超音速燃烧冲压发动机的速度上限尚无定论，但是理论上来说它的速度在轨道速度(20马赫～25马赫)之上。但是在如此高速之下，超音速燃烧冲压发动机之于火箭的优势变得不那么明显了，甚至是毫无意义了，因为在这种超高速下发动机结构会因重压而产生严重损害。

超音速吸气式发动机有多种原料来源，包括氢和烃。液态氢能在发动机与飞行器因温度太高而损坏之前降低它们的温度，曾被用作美国航天飞机的燃料。

烃的利用率却并不如液态氢有效，因为它产生的推动力速度不到8马赫。对于一个超音速燃烧冲压发动机推动的飞机来说，发动机与飞行器已无多大区别，因为它的设计必须考虑到能容纳大量的空气。迎面而来的气流主要由飞机底部分散，这增加了通气口转移空气的压力。一般来说，这种变化大到足以产生一个不稳定的压力——冲击波，这种冲击波来源于飞机的前半部分，然后在大气层中传播。飞机底部与冲击波之间产生的压缩空气被导入发动机，当气流速度变慢、燃料燃烧的时候，空气的温度越来越高。飞机底部产生的高压也可以对飞机产生向上的托力。

为了扩大超音速燃烧冲压发动机的应用范围，设计师将飞行器设计成超音速或者喷射式。可以通过增加一个几何状的、可移动的燃烧室或者通过改变不同方位的喷射器之间的燃料流动来实现这种双模式操作。因为无论哪种模式都无法在二三马赫的条件下有效运作，这时就需要第三种类型的推进方式来助飞，即涡轮式发动机或者火箭。

所谓的“涡喷／火箭组合循环发动机”可以被应用于空间飞行器上，通过冲压产生推动力。喷射式冲压发动机运行后由超音速燃烧冲压发动机提供10马赫～12马赫的反推力，之后再次利用火箭以补充超音速推动力。在18马赫以上。火箭将飞行器推入轨道。

NASA目前正在测试各种形式的吸气式发动机，需要大量工作来确认超音速冲压的可行性。先进的流体力学计算与工程设计方法使人们有可能制造一台内置有超音速燃烧冲压发动机的飞行器。此外，还有很多挑战有待克服，其中包括：开发轻质、耐高温材料，确保燃料的高效混合与燃烧以及尽量减少不必要的热量累积。

20世纪70年代。NASA的兰利研究中心利用超音速飞行器模型与风洞向人们展示了超高冲压的基本技术。发动机原型的一些地面实验已经在美国、英国、法国、德国、俄罗斯、日本以及澳大利亚进行。

此外，相关的一些工作也正在中国、意大利、印度等国展开。现在，科学家经常进行超音速燃烧冲压发动机的地面试验，其模拟速度为15马赫。俄罗斯已经在飞行试验中展示了速度为6.4马赫的双模式超音速吸气式发动机。通过在兰利研究中心进行的超音速研究计划，NASA目前正在制造长3.6米的X-43A型超音速飞机，在接下来的三年中，该型飞机将展示7马赫～10马赫的超音速飞行。如果一切顺利，这一系列的工作将为这种发动机的应用铺平道路，很可能被用于执行太空任务的各种飞行器上。

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