中科院公布尖端技术，一旦突破，东风17全球包邮？
每日点兵官方账号近些年，中、美、俄在高超音速武器领域的竞争愈发激烈，除了不断涌现的各种新型导弹以外，“超燃冲压发动机”这项尖端技术也逐渐被人们所认识。
恰好前些天，中国科学院力学研究所，在其官网上发布了《第二届全国创新争先奖推荐项目公示》，而这则公示中正好就有相关技术。
看来我种花家也在紧跟时代潮流。
▲大家注意红框内的项目名称，后面会讲到这个“强预冷”
本期内容，胖兵就给大家讲讲这种非常超前的发动机。
1、什么是超燃冲压发动机？
在解释这个概念之前，小兵兵先要科普以下冲压发动机与涡轮发动机的区别，方便大家理解后面的内容。
如果你已经对此颇有心得……再看一遍也没有坏处，温故而知新吗~
众所周知，现代飞行器普遍使用涡轮发动机，它的本质就是一台空气压缩机，通过吸入、压缩空气，再经燃烧后喷出，为飞行器提供动力。
▲涡轮发动机的工作原理
在此情况下，进气量和压缩率直接影响着燃烧效率，从而决定发动机的推力。
想要提高这个数值，最直接有效的办法就是放大机器尺寸，但这必然会增大自身重量，增加推力耗损不说，飞机也塞不下。
正因如此，涡轮发动机的性能极限长期被“3马赫魔咒”所困扰，连史上最快的米格-31截击机也仅能达到2.83马赫的极限，而像SR-71那样能够突破3马赫的飞机需要极为特殊的气动布局和材料，而且它仅能作为侦察机使用。
▲SR-71的最大速度能达到3.32马赫，但代价也很大
然而冲压发动机，却可以较为轻松地突破“3马赫魔咒”。
相比涡轮发动机，冲压发动机的工作原理其实非常简单又粗暴。
它直接使飞行器的迎面气流在涵道内进行自然压缩，再经燃烧、喷出后产生推力。
▲冲压发动机工作原理
正因如此，冲压发动机可以不依靠发动机本身的机械能，来决定进气量和压缩率，而是利用飞行速度越快、迎面气流的流速就越快这一原理，来提高供氧密度，因此燃烧效率极高。
再加上省去了精密而复杂的压气机和涡轮风扇等零件，冲压发动机不仅推重比更大，而且结构简单、重量轻，自诞生以来，就不断刷新着飞行器最大速度的极限记录。
▲图示为涡轮发动机（A）、冲压发动机（B）、和超燃冲压发动机（C）的结构
而今天我们要聊的超燃冲压发动机，全称为超音速燃烧冲压发动机（英文简称Scramjet，下文简称超燃，而且我就不说超声速）。
它的工作原理与普通冲压发动机基本相同，重点就在于“超音速燃烧”这几个字上。
冲压发动机虽然突破了“3马赫魔咒”，但又面临新的“5马赫魔咒”。
因为当飞行速度小于5马赫时，空气流速会因为压缩的关系，在燃烧前就降低至音速以下，可一旦飞行速度大于5马赫，空气流速仍可在压缩后高于音速。
▲使用超燃的NASA X-43A高超音速飞行器的最快速度达到了9.64马赫
说白了，超燃就是要把流速高于音速的空气点着，进一步提高飞行速度，这也就是“超音速燃烧”的含义所在。
2、超燃的技术难点
显然，超燃拥有更加优秀的推进能力，但想要在技术层面实现它也绝非易事，世界上只有美、俄、中、英、法、澳、印等少数几个国家能烧得起这个钱。
想要空气流速在整个做功行程中保持超音速，至少需要飞行器本身的速度接近5马赫，这就需要飞行器拥有一级冲压助推器，达到初始运行速度后再点燃二级超燃。
以美国X-43为例，它借助“飞马座”火箭进行第一阶段的助推飞行，达到4.8马赫后火箭自动脱离，X-43点燃发动机开始自主飞行。
▲ 固定在“飞马座”火箭顶端的X-43
所以初始速度这点不难做到，真正令工程师挠头的难点在于点火和降温。
将超音速流动的空气点燃，可不是用防风打火机点烟那么简单，在5马赫的速度下，气流通过发动机只需要几毫秒，怎样在如此之短的时间里完成压缩、燃烧才是真正的挑战。
波音高超音速项目经理约瑟夫·沃格尔，将其比喻为“在飓风中点燃一根火柴，并保证火苗不会熄灭”。
至于要怎么做到……具体的技术细节仍是外界无法得知的机密。
▲B-52投放X-43
除了超音速燃烧外，还有降温这个难题需要解决。
超音速的气流会在燃烧室内产生高热和剧烈摩擦，其程度比航天飞船返回大气层时还要猛烈，而如此高的压力与温度可能导致燃烧室爆炸，能否把温度控制在发动机可以承受的水平，也是超燃正常运行的关键。
▲X-43在高超音速风洞内进行实验
此时，一味提高热端部件材料的耐热性已经不够了，国际上的普遍做法是用主动冷却的方式给发动机降温。
重点来了，文章开头提到的“强预冷”技术，就是用来给超燃发动机主动降温的一种技术手段。
主动降温具体方式为，在燃烧室和喷嘴等热端部件的表面蚀刻细微的毛细通管，并向其均匀地注入碳氢燃料，支持燃烧的同时带走额外热量，与火箭所用液体燃料发动机的“燃料-冷却剂一体化”降温方式类似。
▲英国“佩刀”发动机采用强预冷技术，号称可在0.01秒内将1000度的进气冷却到零下150度
这种技术的难点在于通管实在太细，碳氢燃料在其中流动时容易淤塞，而且通管的长短、弯直各异，需要在蚀刻时保证极高的加工精度，才能确保碳氢均匀、顺利地流动和吸热。
时至今日，点火和降温这两个难点，仍是限制超燃向前发展的瓶颈，各国的实验数据提升的也非常艰难。
▲英国人认为“佩刀”可让飞机在4小时内达到地球上任何一个角落
美国X-43共进行了3次实验，第一次因飞行失控而失败，第二次和第三次分别创下6.83马赫与9.64马赫的速度记录，成为世界上最快的自由吸气式飞行器。
取而代之的X-51就没有这么好运，四次实验只有最后一次成功，虽然飞行速度只有5马赫，但它的超燃发动机却创下了210秒稳定点燃的世界记录。
▲X-51同样使用B-52进行空中投放，但它的一级助推已经简化很多
啥？
210秒嫌短？
单论时间长度的确太短，可这已经是最长纪录，要知道印度航天局研发的先进探空火箭也使用超燃，但它只能点燃5秒……
▲印度的先进探空火箭项目，是因为没有轰炸机所以直接在地上点燃，类似二踢脚……
3、超燃的军事应用
前面科普了半天发动机，其实大家最关心的还是应用，尤其是军事应用。
前面提到了，超然发动机和高超音速导弹有着密不可分的关系。
目前的高超音速导弹大致分为两种，一种是火箭助推—滑翔型，也就是俗称的“水漂弹”，代表型号为中国东风-17、美国C-HGB系列、俄罗斯“先锋”。
▲去年阅兵时亮相的东风-17高超音速导弹，从东风-41那抢了不少风头
另一种是火箭助推—超燃型，代表型号为俄罗斯“匕首”、“锆石”，其中“锆石”高超音速反舰导弹能够以8马赫的速度突防，拦截难度非常大，这归功于超燃发动机的强大推力。
尽管前文提到的X-51也属于这类型的飞行器，但它在完成科研实验后就不再进行测试，也没有直接转入军用领域，因此中美两国尚无同类武器。
从技术角度来看，超燃弹的难度要比水漂弹更大。
▲“锆石”高超音速反舰导弹，8马赫什么概念？每秒飞行2.6公里
说来也奇怪，美国一向在高超音速飞行试验中领跑全球，但在武器转化上似乎慢了一拍。
如今，美国主打的是“全平台”玩法，正在发展的C-HGB是一种通用型滑翔体，海陆空三军均可使用。
▲ 今年3月19日，美国在夏威夷发射了C-HGB高超音速滑翔体
这其中，空军版的“空射快速响应兵器”(ARRW)进度最快，在洛马的强大支持下已经搞出了名为AGM-183A的乘波体弹头，有望在2022年形成初始作战能力。
▲AGM-183A乘波体弹头
而陆军的“远程高超音速武器”(LRHW)比空军慢一年，海军的“常规快速打击”(CPS)最为缓慢，可能要到2028年才能交付使用。
目前，俄罗斯的高超音速武器技术最为先进，水漂弹、超燃弹俱全，已经做到了全平台化。
▲ “欸，这怎么好意思~”
其中滑翔弹道+乘波体弹头的“先锋”(Avangard)通过RS-18洲际导弹搭载，拥有很强的机动能力，可直接攻击美国本土。
▲ “先锋”进行滑翔概念图
而旋成体弹头+超燃发动机的“匕首”属于战术型空地导弹，可通过米格-31挂载发射。
▲ “匕首”的技术难度可能比东风-17还要更大一些
与其同类型的“锆石”则是舰对舰导弹，可用来突破美航母打击群的防御圈。
今年1月，“戈尔什科夫海军上将”号护卫舰发射了一枚“锆石”，成功命中了500公里外的目标。
▲“戈尔什科夫海军上将”是俄罗斯首次全新设计和制造的战舰，被俄海军寄予厚望
俄副国防部长阿列克谢·克里沃鲁奇科称：俄罗斯的军工专家计划将把“匕首”和“锆石”两种导弹的最大速度提高到10马赫，使其能够突破当前所有的防空和导弹防御系统。
是不是吹牛咱先不去探究，但俄罗斯人敢放这个话，就证明对上述两种武器的基础性能有充分信心，技术牛就是有底气啊！
反观咱们种花家，去年亮相的东风-17虽然引起了很大关注度，但也是我们仅有的一款，而且没有使用尖端的超燃冲压发动机。
胖兵分析，我们要填补超燃弹的空白有两种方法，一种是对东风-17进行大改，将它的两级动力改为火箭助推-超燃发动机。
▲东风-17的乘波体弹头并不具备通用型，因此需要修改气动外形
改造后，原本的水漂弹头可能会变成锥形的旋成体弹头，因为它不再需要借助大气层的弹弓效应进行滑翔，所以外形更像是放大版的“锆石。”
另一种则是利用现有东风系列导弹，研发使用超燃冲压发动机的新变体，发展出类似美国C-HGB那样的多平台通用化发射能力。
▲陆军版C-HGB概念图，可由M983战术卡车运载发射
当然，这一切还需要国产超燃冲压发动机的突破做支撑，这也是持续发展高超音速武器所必须攻克的技术。
而文章开头提到的“高超声速度强遇冷空天动力研究”，则让小兵兵看到了我国新型高超音速导弹的希望。
小兵兵相信，在不久的将来，东风快递家族，就要再添加新的“快递小哥”了。
而且是全球包邮的那种……
参考资料：[1] 科普中国：吸进去喷出来 真的很难！超燃冲压发动机[2] 俄罗斯卫星网：俄国防部：“匕首”和“锆石”导弹的速度将被提高到10马赫以上[3] 维基百科：Scramjet、Boeing X-51 Waverider
