什么是冲压发动机？大气层内的发动机之王
什么是冲压发动机？大气层内的发动机之王
冲压发动机是一种独特的航空发动机，它没有涡轮、压气机等活动部件，而是利用飞机的前向运动来压缩空气，进而驱动发动机工作。这种发动机在3～6马赫甚至更高的速度下表现出色，堪称大气层内的发动机之王。
冲压发动机的工作原理
冲压发动机的原理并不复杂。我们先来复习一下传统的喷气发动机是如何工作的？以涡扇发动机为例。在空气被吸入发动机后，压气机会将其大幅压缩，压力显著增加。接着，高压空气进入燃烧室，与喷入的燃油混合并被点燃，剧烈的燃烧产生了高温高压的燃气。最后，高温高压的燃气进入涡轮，燃气的膨胀带动涡轮叶片旋转。旋转的涡轮轴又带动风扇和压气机叶片的旋转，进而维持整个压缩和燃烧过程的持续进行。
目前，现有的涡轮或涡扇发动机，它们的速度上限大概是2～3马赫之间。比如协和号客机，它的最高飞行速度可以达到2.04马赫。而当飞行速度超过3马赫时，进入发动机的空气流速过快，传统的压气机无法有效压缩这些高速气流，空气压缩效率会迅速下降，高温高压气流还会损害涡轮和压气机部件。
那怎么办？直接把压气机去掉，既然压气机没了，那涡轮也就没有存在的必要了。此时，飞行器在高速飞行时，迎面而来的气流速度较快，在经过飞机前部的进气道时，气流会被自然压缩，产生较高的压力和温度，这就是冲压效应，这样的发动机也被称为冲压发动机。
根据所达到的极限速度不同，冲压发动机又分为亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机。所谓亚燃冲压发动机，指的是气流被减速成亚音速，然后进入燃烧室燃烧。这项技术已经成熟，适合于3～5马赫的中高速飞行，比如中高速反舰导弹、巡航导弹等。
而超燃冲压发动机，指的是空气在进气道中仅被部分压缩，气流仍保持超音速进入燃烧室，燃料需在极短时间内与超音速气流混合并燃烧。这项技术的理论速度据说可以达到5～15马赫，不过由于技术难度过高，仍处于试验阶段。比如在超音速气流下，燃烧混合就比较困难，易发生火焰熄灭，这个难度相当于在12级台风里点燃一根火柴。
冲压发动机的局限性
冲压发动机这么厉害，为什么还只是大气层内的发动机之王呢？原因就是它还真没法和火箭发动机相比。火箭发动机是自带氧化剂与燃料，燃烧不依赖外界空气，可以在真空环境下工作。而且火箭发动机在静止状态下就可以启动，而冲压发动机需要助推到2马赫左右才能启动。
比如美国的X-43A高超音速飞行器，它在2004年的第二次试飞时，突破了9.8马赫的速度，创下了进气发动机所达到的最快世界纪录，然而想要启动它的冲压发动机，需要一架由B-52改装的母机，将其带到指定高度后再释放。接着由“飞马座”火箭加速至超音速，最后才能点燃自身的冲压发动机。
由此可见，冲压发动机是无法在静止状态下点火启动。为了解决这个问题，美国有一家民营公司赫尔墨斯，他们试验的这款发动机，可以在涡喷和冲压模式之间来回切换，其实这就是整合了两种不同发动机的混合体。
首先，空气进入进气道，涡喷发动机正常工作，当速度达到3马赫后，关闭涡喷发动机前的进气阀，将超音速气流导入后方的冲压发动机，这时候，冲压发动机就可以点火启动。从这个视频就可以看出，在涡喷模式下，火焰为淡蓝色，之后发动机的蓝色火焰消失，尾喷口变成暗红状态，同时推力减小，但很快冲压模式启动，尾喷口喷出耀眼的黄色火焰。
中美在冲压发动机领域的最新进展
无独有偶，中国有一家民营航天公司，也在研发冲压发动机和超音速客机，这就是成都的凌空天行。2024年12月17日，“筋斗云400”高速冲压发动机进行了试飞，该型发动机推力超过400公斤，在20公里以上高空实现了4倍音速飞行，并且发动机还加入了爆震燃烧技术。
今年1月20日，这家公司又公布了一款“窜天猴”超音速原型机，该飞机长 7 米，重量 1.5 吨，配备双发动机，巡航速度可达4马赫，全球出行3小时可达。
有意思的是，美国的赫尔墨斯与中国的凌空天行都创立于2018年，看来冲压发动机的突破就在中美两大国之间产生了。
其实，冲压发动机并不是什么高科技。它的概念最早由法国人于1913年提出，那为什么至今都没有得到很好的应用吗？原因就在于它必须在超音速状态下才能启动，那你知道到底是什么样的技术突破，才能让冲压发动机顺利研制吗？