原创 受访人/老虎 航空知识
声速是空气中传播声音的速度，自动化压铸岛它约为340米/秒。尽管这个速度会因气压、温度和高度的不同而略有变化，但基本上都在1100到1200公里之间。在航空术语中，音速的整数倍被称为“马赫数”。一倍音速，即跨声速，通常被称为“一马赫”。速度在1.2到5倍音速之间的飞行状态称为“超声速”。而当速度超过5倍音速时，我们称之为“高超声速”，这在港台地区也常被翻译为“极音速”，两者其实是同一概念。
今天提到这个概念的原因是，在上个月，普惠公司发布了一则消息：他们正在将F100发动机安装在一种名为“夸特马”的美国赫尔姆斯公司开发的一种高超声速无人飞行器上进行测试。
赫墨斯“夸特马”Mk 0“铁鸟”试验平台
熟悉航空领域的朋友们可能对F100发动机并不陌生，这是一种普通的涡扇喷气式发动机，广泛应用于F-15和F-16战斗机上。但如何利用这种传统的喷气式发动机实现高超声速飞行，是一个值得探讨的问题。接下来，让我们深入了解高超声速飞行是如何实现的。
我们都知道，目前实现高超声速飞行的常用方法是将飞行器安装在弹道导弹或运载火箭的顶部。这样一来，一旦火箭发射，飞行器便获得了巨大的初速度，自然达到高超声速。火箭速度之快是众所周知的，但这种方式也存在一个问题：飞行器往往不具备独立的动力系统，它将不可避免地与火箭或导弹的弹体分离。
一旦分离，飞行器的机动能力和能量维持能力将受到影响。在与火箭或导弹弹体分离后，它主要依靠由火箭加速产生的强大惯性进行飞行。无论是运载火箭还是弹道导弹，其起飞弹道在前半段都相对固定，因此其路径是可预测的。这种飞行方式虽然有效，但也有其局限性和挑战。
另一种实现高超声速的方法是通过特殊的发动机技术。目前有几种不同的技术解决方案可用于达到高超声速。我们知道，任何追求高超声速的技术发展都必须基于一些基本的前提条件。
常见的喷气发动机能够将几乎静止的空气（我们可以假设其速度为零）吸入，通过涡扇增压并点火做功，之后通过高压、中压和低压涡轮的作用，最终排出，形成推力。这种传统的发动机技术广泛应用于各种飞机上，例如我们之前提到的F100发动机。然而，无论是涡喷还是涡扇发动机，它们通常的性能上限都在马赫数3左右，这限制了它们在追求更高速度时的应用。
飞机如SR-71黑鸟和米格-25都能够达到大约马赫数3的速度。然而，要想达到更高的速度，比如马赫数5或以上，仅靠这些飞机就难以实现。这是因为在这种极高速度下，高超声速气流会对飞机前端的组件，包括风扇、各级压气机和涡轮等，产生巨大阻力，这些传统的喷气式发动机组件无法承受。
因此，要达到高超声速，就需要依赖两种不同类型的发动机。这种需求推动了对能够在极高速飞行中有效工作的新型发动机技术的研发。
插播一则广告
第一种发动机称为冲压发动机。这种发动机的工作要求是前端进气的气流速度需要达到大约马赫数2，甚至稍低一些，但肯定超过音速，一般在1~2马赫之间。在这种速度下，气流可以直接进入发动机并点火，从而产生必要的推力。与传统的涡喷或涡扇发动机不同，冲压发动机不需要压气机或涡轮等复杂组件。它主要依靠进气气流的高速来实现工作，一旦达到约2马赫的入口速度，就能够提供高达5倍音速的推力。这就是冲压发动机的基本原理。
另外一种发动机，速度比冲压发动机还要快，即超燃冲压发动机。这种发动机的进气速度更快。它的工作原理是将空气迅速吸入，然后在发动机内部与燃料混合并点燃，迅速产生动力并排出。这种发动机要求进气速度极高，明显超过冲压发动机。
涡轮喷气发动机（上）、冲压发动机（中）、超燃冲压发动机（下）
为了形象地说明这种技术的挑战性，我们常用一个比喻“这就像在12级台风中点燃一根火柴一样困难”。这种比喻反映了在极端高速气流中成功实现燃烧和推力生成的技术难度。
目前，只有少数国家如中国、美国和俄罗斯掌握了冲压发动机和超燃冲压发动机的技术。考虑到这一点，再看赫尔姆斯公司的研究方向。该公司正努力开发能够实现马赫数5以上飞行速度的飞行器，他们的技术方案与传统的F100发动机的联系就是，他们采用了当前非常流行的混合动力系统概念。
F100发动机
赫尔姆斯公司的创新思路是将传统的喷气式发动机与冲压发动机结合使用。在实际操作中，传统发动机首先启动，并在加力状态下达到约马赫数2的速度。此时，飞行器后端的冲压发动机启动，利用前端发动机产生的高速尾流。这种策略允许在常规速度下使用传统发动机，而在需要高超声速飞行时，通过前端发动机的超声速点燃冲压发动机，从而实现高速飞行。这种方法有效地结合了两种技术，优化了飞行器的性能和效率。
虽然这一原理听起来并不复杂，实际上，实施过程中涉及了众多技术挑战，尤其是热管理问题。通常情况下，无论是冲压发动机还是超燃发动机，我们都假设它们前端的进气流速度需达到数倍音速，且需要保持较低的温度。
在现有技术中，尽管前端发动机喷出的气流速度足以引燃后端的冲压发动机，但这些气流通常具有较高的温度，这就带来了一个问题：如何有效隔热？这背后隐藏着大量的技术细节和创新点。除了隔热问题，还需要考虑在高温、高速及高超声速条件下如何处理热噪声等问题。虽然相关信息并未完全公开，但已足以让我们感受到这一技术的复杂性和吸引力。
赫尔姆斯公司目前正在开发高超声速飞行器，主要出于两个目的。首先，这种飞行器具有明显的军事潜力。一旦开发成功，很可能会被美国军方采用。与传统通过弹道导弹或运载火箭发射的高超声速飞行器相比，赫尔姆斯公司研发的飞行器在起飞和降落阶段可以使用传统喷气式发动机，这使得其选择起降机场更为灵活，并且可以重复使用，不同于一次性的导弹系统。这种灵活性对军事行动来说是一个巨大的优势。
暗马概念图
此外，这种飞行器也具有广阔的民用前景。赫尔姆斯公司正在测试混合动力发动机，如F100和奇美拉（嵌合体），这些努力很可能是为了未来民用高超声速飞行器的发展打基础。公司计划的下一步是开发一种名为“暗马”的飞行器，这将是一个三阶段的项目。该飞行器预计能够搭载20人，航程至少4000海里，即大约7000至8000公里。如果这种飞行器能够达到或超过马赫数5的飞行速度，它将能够在极短的时间内抵达全球任何地点，显示出其巨大的商业潜力。
风上风云｜云端故事
望您读后可以顺手点亮"赞"在看"！
