比声音还快（下）——漫谈超音速客机

三倍音速的 SR-71 战略侦察机

SR-71 的 J58 涡喷-冲压发动机示意图，上为涡喷状态，下为冲压状态

　　日本的 ATREX 发动机计划用于单级入轨的高超音速飞行器，采用液氢作燃料，低速时相当于涡喷，高速时相当于冲压发动机，是一种比较奇特的发动机构型。液氢在进气道通过换热器和受到压缩升温的进气作热交换，空气降温，进一步增强进气压缩的效率，液氢升温气化，准备用作燃料。但是在液氢进入燃烧室之前，与燃烧室后炽热的燃气再一次作热交换，氢气进一步升温增压，形成所谓 Brayton 循环的热机。高温高压氢气回到发动机前半部，在低速飞行时，高压氢气射流吹动风扇的叶尖，向水车那样从叶尖驱动风扇，压缩进气，风扇的中轴则是自由转动的，这时相当于没有常规的燃烧室后涡轮的涡喷发动机。在高速飞行时，氢气停止吹动风扇叶尖，风扇像风车一样自由转动，但桨叶的角度对准进气气流，最大限度地减小进气的压力损失，这时相当于冲压发动机。高温高压氢气在吹动或者绕过风扇叶尖后，通过环形混合装置和进气混合，氢气本身的温度使燃气更容易达到高温，达到节约燃料的效果，环形混合装置本身也作为火焰墙（flame holder）。尾锥控制燃烧室的背压，同时控制喷流的速度。ATREX 的设计理念是很精巧的，已经经过多次实验室规模的试验，但还没有进入实用阶段。

ATREX 发动机结果示意图，蓝色为空气的走向，红色为液氢/氢气的走向

进气道后燃烧室前的空气预冷器

风扇的“风车”叶片

 

燃烧室后的换热器

　　ATREX 不是采用进气预冷的唯一设计，80 年代时，英国研制水平起降、单级入轨的空天飞机（HOTOL），计划采用的罗尔斯·罗伊斯 RB545 发动机，就是采用预冷的。但是 HOTOL 计划下马，有关人员拉出来单干，自组 Reaction Engines 公司，开发 SABRE，同样采用液氢作燃料，但是用氦气作为 Brayton 循环的工作介质，计划用于 Skylon 空天飞机。预冷发动机的一个变形是所谓 air breathing rocket，意为吸气火箭。火箭发动机和吸气发动机（包括内燃机、喷气发动机等所有利用空气中的氧燃烧的发动机）的最大差别，就在于火箭燃料中含有氧化剂，所以不需要空气，不管周围到底有没有空气可用。在外层空间，除了离子推进等科幻级的超先进技术，火箭是唯一的选择。但是在大气层内，火箭发动机自带的氧化剂不光是一个浪费，还要用额外的推力来补偿氧化剂的重量。吸气火箭不自带氧化剂。在大气层内，吸气火箭用液氢燃料将流经的空气深度冷冻，分离出液氧，作为火箭发动机的氧化剂。液氢深度冷冻空气后，自身气化，正好作为燃料。由于制备的液氧有富余，火箭可以跃上大气层之外，避免空气摩擦阻力，飞得更快更远，或者直接往太空飞行。液氧耗尽后，再飞回大气层，制备更多的液氧，如此往复。

英国《飞行国际》杂志封面的 HOTOL 想象图

Skylon 空天飞机想象图

　　尽管部分利用了冲压发动机的较高的推进效率，SR-71 的耗油率仍然惊人，从英国起飞去利比亚执行侦察任务，一离地就需要空中加油，来回总共需要 8 次空中加油。如此耗油率用于民航，显然需要巨大的回报才能获得经济效益。然而，和高亚音速相比，两倍音速的效益不够显著。即使超音速客机的巡航速度为 2 马赫，起飞、加速、减速、着陆都要时间，这还不算在机场滑行道待命起飞和着陆前在机场上空盘旋等待着陆许可的时间。对于典型的 10 小时越洋飞行来说，这些时间加起来达到 1-2 小时并不罕见。如此一来，从伦敦到纽约，办事紧凑一点，两倍音速勉强可以当天来回，但是欧洲内陆到美国中西部，两倍音速就不够当天来回。如果朝发夕不能归，超音速飞行的早上走下午到，和高亚音速旅行的过夜旅行，对旅客来说相差并没有那么大，反正一天耗在路上。对航空公司来说，理论上可以再发一班晚上走上午到的航班，但是超音速客机的噪声问题使协和式不得在夜间起飞着陆，除非新一代的超音速客机发动机的噪声有显著降低，这实际上限制了超音速客机的出勤率。除了越洋飞行，北美和欧洲大陆上空仍然受音爆法律限制，仍然不得超音速巡航。这些实际因素冷却了人们对投资发展新一代的超音速客机的热情，但这不妨碍人们对更快的高超音速客机的探索。

　　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。