主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

一般认为，高超音速的范围在M5到M25之间，更高的速度已经是第一轨道速度，就不再用音速作为衡量尺度了。不算机场时间，M5的高超音速客机可以一个半小时就从温哥华飞到上海，M25的高超音速客机在20分钟就可以从夏威夷飞到佛罗里达。高超音速在军事上的吸引力自然更大，几乎可以用洲际导弹同等的飞行时间，在30分钟内攻击世界上任一目标，这当然没有把地面准备、起飞、加速的时间算进去。

高超音速客机想象图

据说传说中的“曙光”（Aurora）高超音速侦察机就是这个样子的

虽然从字面上说，超过音速就可以叫超音速（supersonic），但M0.8-1.2之间的空气动力性质十分特殊，以至于有一个专门名称：跨音速（transonic）。一般认为，M1.2以上才称为超音速。但是，速度达到M5左右时，空气动力性质再次发生重大变化，M5以上的速度一般称为高超音速（hypersonic）。

高超音速的空气热动力学和材料方面的挑战不说，飞行动力是一个极大的挑战。冲压发动机并不是一个的里面什么也没有的空心筒子，冲压发动机的进气口有进气调节锥，用于对超音速进气减速、增压，燃烧膨胀实际上是在亚音速下进行的。亚音速的排气通过收缩的第一段喷口加速到音速，然后通过扩张的第二段喷口进一步加速到超音速，最后喷出去。这收缩-扩张喷口（也叫Laval喷管，以发现这一现象的瑞典工程师Gustaf De Laval命名）是流体速度通过音速时的一个有趣现象。亚音速时，气体流过缩小的开孔，流速会增加，就像河流流经峡谷时，流速会加快，这个现象人们早就熟悉。但是超音速时，气体流过缩小的开孔，流速反而放慢，好比奔腾的马群涌到山口，一下子会挤成一团，反而跑不快，要过了山口到豁然开朗之地，马群才能重新奔腾起来，在开阔地上速度反而加快。所以超音速飞机的喷管都是先收缩再扩张的。但是冲压发动机的燃烧毕竟是在亚音速进行的，超音速飞行时，超音速的进气气流显著减速至亚音速，然后再在燃烧室内升温膨胀，产生超音速的推力，这么一减速一加速，使超音速飞行阻力增加，推进效率大大受损，最终成为限制其速度的一道跨不过去的关卡，也使它在速度高于5马赫左右时，阻力开始超过推力，换句话说，不管如何增加燃料，阻力的增加将快于推力的增加，最终不能产生净推力。于是，超音速燃烧的冲压发动机应运而生。

典型收敛-扩张喷管，也叫拉瓦尔喷管，绿色代表亚音速，黄色正好为音速，红色为超音速

顾名思义，超音速燃烧冲压发动机（supersonic combustion ramjet，简称scramjet）就是燃烧在超音速下进行的冲压发动机。超燃冲压发动机也有进气调节锥，但对进气的节流压缩减少，所以进入燃烧室的空气仍然是超音速的。燃烧膨胀做功的高速喷气不再像亚音速燃烧的普通冲压发动机一样，需要收缩喷管节流加速，而是直接进入扩张喷管，加速喷出。由于超音速进气含有巨大的动能，超燃冲压发动机的推力实际上有很大部分来自进气的动能。在M8左右的时候，进气的动能和燃烧加速产生的动能大体相当；而M25左右的时候，燃烧膨胀产生的动能占排气总动能的1/10。所以，用于高超音速飞行的超燃冲压发动机最主要的问题是减小阻力，而不是增大推力。为了保持超音速燃烧，进气只能作很少的调节，以避免气流速度损失太多，这样一来，超燃冲压发动机的工作范围非常狭窄，进气必须保持在一个特定的熵，否则燃烧无法保持，所以超燃冲压发动机在任一特定高度时，只有一个特定的速度可以保持其正常工作。

超音速燃烧和亚音速燃烧，虽然只有一字之差，其性质却有本质的不同。超音速燃烧只给燃烧室极短的时间完成燃料和空气的混合、火焰的形成和扩散。这还不算，空气中的压力波以音速传递，但燃烧室内的空气仍然以超音速流动，就像跑步前进的传令兵要给骑马奔驰的骑兵传令一样，给燃烧室的燃料/空气混合和燃烧控制带来极大的挑战。由于超音速燃烧的特殊性质，超燃冲压一旦速度降下来，超音速燃烧就不能维持，就会进入亚音速燃烧，燃烧机制的激变会引起燃烧速度急剧加快，引起爆炸。另外，随着温度的升高，音速随之升高，这样，即使气流速度没有变，也突然从超音速降到了亚音速，同样引起“冲压阻塞”（choking）。超燃冲压发动机一般不能在M5一下工作，可靠工作一般要到M7-8以上，而普通冲压发动机不能超过M5，这样一来，只有特殊设计的双模式冲压发动机（dual mode ramjet）才能将飞行器从M5以下加速到M7以上，完成过渡。

超燃冲压式发动机在温度升高导致音速升高时，会发生“热冲压阻塞”（thermal choking）

可以在M3到M5.5之间过渡的双模冲压发动机，在冲压状态用活门担任flame holder，防止回火；在超燃状态不用活门，进气的激波就可以充当flame holder

超燃冲压发动机必须在M5以上的气流速度中才能工作，使得地面研究非常困难。超燃冲压发动机的研究仍然高度保密，公开的细节很少。只知道俄罗斯在92年就和法国合作试验过超燃冲压发动机，但没有产生净推力。美国化费2.5亿美元的 巨资研制超燃冲压发动机推进的X-43试验型飞机，但是澳大利亚昆士兰大学的一个研究小组用8千5百万美元的拮据的经费，在2002年先于NASA成功地试验了超燃冲压发动机，首次在飞行中产生净推力，发动机工作了10秒钟。

HyShot发射

HyShot被发射到330公里的高空，然后俯冲，在35-25公里高空达到M7.6，在此期间超燃冲压发动机点火，工作10秒钟

HyShot是第一个成功地实现净推力的超燃冲压发动机

但是目前最重要的超燃冲压发动机计划还是美国的X-43。X-43的速度达到M7以上，高度3万米以上，用B-52携带到空中投放，然后用“飞马”火箭助推器加速，直到超燃冲压点火。第一次试验时，飞机失控，被迫自毁。2004年3月27日的第二次试验成功，超燃冲压发动机工作了10秒钟，速度达到七倍音速，成为世界上最快的采用喷气发动机（而不是火箭发动机）的自由飞飞行体，然后飞机无动力滑翔，直到在指定地点坠毁在海里。2004年11月16日，又一架X-43再次打破纪录，速度达到9.6倍音速。

X-43在B-52的机翼下，X-43只是“飞马”（Pegasus）火箭助推器尖端的小东西

换个角度看

“飞马”火箭推动下的X-43正在加速上升

这是真家伙

X-43的飞行途径

NASA至今没有公布X-43在飞行中的真实图片，大概有太多的机密可以从图里看到，所以公众只能看这个想象图

计算流体力学计算出来的X-43的激波

• 哈，以前贴过冲压到PDE的问题