飛行器常用的推進動力可分為火箭發(fā)動機和吸氣式發(fā)動機兩大類。火箭發(fā)動 機同時攜帶氧化劑和燃料，使得其在大氣層內(nèi)外均能有效工作，但攜帶大量氧化 劑使得火箭發(fā)動機的推重比較低，且運載成本高、可重復(fù)利用性不好。采用三組 元燃燒和塞式噴管能夠有效提升火箭發(fā)動機性能，但性能提升基本達到上限。與 火箭發(fā)動機相比，吸氣式發(fā)動機直接利用大氣層內(nèi)的氧氣作為氧化劑，能夠減小 飛行器的質(zhì)量與體積，因此燃料比沖高、航程遠、經(jīng)濟性好。

飛得更高、更快、更遠一直是人類的不懈追求。吸氣式發(fā)動機中的活塞式發(fā) 動機不能突破音速，渦輪噴氣/渦輪風(fēng)扇發(fā)動機能夠達到的速度在Ma3左右，亞燃 沖壓發(fā)動機的速度上限一般為Ma5。隨著飛行速度的進一步提高，必須采用超燃 沖壓發(fā)動機，即利用高速來流的沖壓效應(yīng)使來流部分滯止、以超聲速進入燃燒室 與燃料混合燃燒。

在大氣層內(nèi)工作時，超燃沖壓發(fā)動機在Ma6以上性能最佳，在Ma8以上的速 度時是唯一可用的吸氣式動力系統(tǒng)。超燃沖壓發(fā)動機本身的潛在優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù) 難度，使得超聲速燃燒的研究持續(xù)了60余年。以超燃沖壓發(fā)動機為代表的高超聲 速推進系統(tǒng)可以應(yīng)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機和空天飛機等新型飛行 器，是繼發(fā)明飛機、突破音障、進入太空之后人類航空史又一個劃時代的里程碑。

自20世紀50年代起，美國憑借巨額的資金投入、雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)的 規(guī)劃和廣泛而深入的研究，在超燃沖壓發(fā)動機的研究中占據(jù)著主導(dǎo)地位，領(lǐng)導(dǎo)著 超燃沖壓發(fā)動機研究的主流方向。其最具代表性的飛行試驗是X-43A、HyFly和 X-51A的幾次試飛。

一個固體火箭發(fā)動機將HAWC提升到超音速，超燃沖壓發(fā)動機點燃并加速導(dǎo)彈，使其能夠達到高超音速飛行。該測試驗證了HAWC的機身和推進系統(tǒng)以高超音速到達和巡航的能力。超燃沖壓發(fā)動機動力高超音速吸氣武器概念 （HAWC） 的首次飛行測試。 超燃沖壓發(fā)動機使用高車速在燃燒前強制壓縮進入的空氣，以實現(xiàn)高超音速（5馬赫或更高）的持續(xù)飛行，這是音速的五倍。通過以這些速度行進，像HAWC這樣的高超音速武器能夠比傳統(tǒng)導(dǎo)彈更快地到達目標，從而有可能躲避防御系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的噴氣發(fā)動機采用離心式 壓縮機，或者旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片來壓 縮吸入的空氣，然后燃料與其混合 燃燒以生成推進力。超燃沖壓發(fā)動 機放棄了壓縮機，而是利用高速氣 流的巨大壓力將空氣吸入發(fā)動機。因此，超燃沖壓發(fā)動機比噴氣發(fā)動 機擁有更高的轉(zhuǎn)速，但在較低的轉(zhuǎn) 速下，吸入空氣的壓力不足以讓超 燃沖壓發(fā)動機正常工作。這意味著 以超燃沖壓發(fā)動機為動力的平臺難 以緩慢平穩(wěn)降落，因此只能使用一 次。然而，集成了傳統(tǒng)噴氣發(fā)動機 技術(shù)，且以組合循環(huán)超燃沖壓發(fā)動 機為動力的平臺可以像飛機一樣飛 行，并且可以重復(fù)使用。按照庫姆 斯的說法，“這種類型的發(fā)動機可 能會徹底改變民航和軍用飛機的歷 史。” “混亂”項目可能會采用組 合循環(huán)超燃沖壓發(fā)動機來驅(qū)動無人 機，而不是將其用作一次性導(dǎo)彈的 動力。該無人機將采用傳統(tǒng)的噴 氣發(fā)動機起飛，并加速到大約3馬 赫，然后過渡至啟動超燃沖壓發(fā)動 機，使其發(fā)射速度超過5馬赫。一 旦需要飛入對手領(lǐng)空，基于“混 亂”項目，無人機就可以發(fā)射廉價 的常規(guī)炸彈和導(dǎo)彈，對目標實施攻 擊，或者進行偵察，然后返回重新 裝彈，再次執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，就像舒 爾少校駕駛SR-71“黑鳥”戰(zhàn)略偵 察機在利比亞空域執(zhí)行任務(wù)那樣。 從理論上講，這很誘人，但從 工程角度來看卻令人困惑，甚至自 相矛盾。渦輪發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)在 設(shè)計上阻礙氣流，但超燃沖壓發(fā)動 機需要無阻礙氣流才能正常工作。事實上，即使是開發(fā)普通的超 燃沖壓發(fā)動機，其固有的挑戰(zhàn)也是 巨大的，特別是當(dāng)空氣與燃料的混 合物以高于音速的速度進入發(fā)動機 燃燒室燃燒時（庫姆斯將這一挑戰(zhàn) 稱為“燃燒穩(wěn)定”）。 高超音速導(dǎo)彈的飛行速度超過每秒一英里，面對2°F的灼熱溫度，同時在整個飛行過程中進行機動，高超音速導(dǎo)彈測試了可能的極限。 高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)提供更高的速度、最佳性能以及在作戰(zhàn)人員與其面臨的威脅之間盡可能遠的距離內(nèi)作戰(zhàn)的能力。

高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)以超過5馬赫的速度移動，帶來了一系列獨特的工程挑戰(zhàn)。

在大氣中長時間以這些速度運行時，你會遇到各種熱問題，以及機動性和生存能力方面的挑戰(zhàn)。用最簡單的術(shù)語來說，快速移動的武器會變得非常熱，并且熱量會產(chǎn)生強烈的熱引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。 熱專家、結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師、分析師和空氣動力學(xué)家等，解決高超音速導(dǎo)彈系統(tǒng)等多方面問題需要廣泛的專業(yè)知識基礎(chǔ)。 需要采用數(shù)字化方式整合未來產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造和測試的各個方面，對于復(fù)雜系統(tǒng)都需要采用建模仿真的方式進行設(shè)計，才能實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。 數(shù)字化工廠提供長期的生產(chǎn)優(yōu)勢，例如優(yōu)化的制造流程設(shè)計和工作空間、最先進的自動化和產(chǎn)品質(zhì)量的整體改進。通過數(shù)字工廠虛擬環(huán)境中對整個制造過程進行建模，以在物理工廠完工之前優(yōu)化地板布局、加工路徑、模具設(shè)計、技術(shù)人員界面。 從戰(zhàn)略角度來看，對手通常會進行防空和太空防御。通過在大氣層中快速移動，超音速可以潛在地躲避這些主要防御，使美軍能夠從遠處有效行動。 “高超音速系統(tǒng)能夠在高層大氣（80，000至200，000英尺）內(nèi)以接近和超過5馬赫的速度進行長時間飛行，并且它們能夠以防御者難以預(yù)測的方式進行機動，這是高空射程在防空系統(tǒng)和彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)之間造成了差距。

審核編輯 ：李倩