主题：【原创】比声音还快（一）（完） -- 晨枫

但是火箭-冲压发动机的火箭助推器是一次性使用的，不适宜于反复使用的飞机发动机，最好采用涡喷-冲压发动机，三倍音速的SR-71侦察机的J58发动机就是这样一种发动机。J58在加力燃烧室身兼两职，一是用作涡喷状态的加力燃烧室，二是用做冲压发动机的燃烧室。进气道有活门，在涡喷状态时将气流导向核心发动机，在冲压状态时将气流绕过涡喷的核心发动机，导入加力/冲压燃烧室直接燃烧做功，达到冲压式发动机的效果。一般说法是SR-71的整个3马赫飞行部分都是在用加力推力，其实不如说是冲压式推力。冲压状态时，涡喷部分怠速运转，不提供推力。

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。

• 哈，以前贴过冲压到PDE的问题