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超燃沖壓發動機技術，被美國確定為未來將改變戰爭形態的重點技術之一，能夠搭上超燃沖壓發動機發展的快車道甚至關乎我國國運。而國防科大則完成了這一歷史性突破。

一、沖壓發動機原理

航空發動機目前主要分為渦輪風扇發動機、渦噴發動機、螺旋槳發動機等，但這些發動機都普遍無法達到較高的飛行速度，最快只能飛到2馬赫左右。原因是這些飛機都是利用渦輪/風扇旋轉帶動氣流反推，當渦輪（用于壓氣機）/風扇轉速到一定程度后，強大的離心力將導致其結構斷裂，無法繼續，但這種發動機在低速時性能相當好。

在思考怎樣將發動機繼續提速時，科學家們發現，當空氣速度達到2馬赫以上時，如果取消發動力內部的風扇渦輪等設備，讓氣流直接進入發動機。然后通過調整發動機的構造（一般是縮小發動機的直徑），發動機內部氣流的壓強就會自動上升，節省了壓氣機壓氣環節。一般只要空氣降到音速之下就可以進入燃燒室和燃料混合點燃使用了，點燃后的空氣壓力由噴口噴出，產生強大的反推力，推動飛機或者導彈向前飛機，這就是所謂的沖壓發動機原理。

上圖為渦噴、沖壓和超燃沖壓發動機原理圖，從左至右其結構依次為進氣道、燃燒室、噴口，從上往下進氣道的進氣速度逐漸增加，渦輪結構被取消，因此發動機結構也變得簡單，推力也越來越大，但點火變得越來越困難。

二、超燃沖壓發動機

然而人類對速度的追求是瘋狂的。對更快的發動機需求之后，科學家們很快發現，當速度超越4馬赫后，燃燒室內進入的氣流速度迅速升高，變為超音速，此時發動機便會出現很多問題導致速度無法繼續提升甚至熄火，讓氣流在超音速下點燃產生穩定的推力，這就是超燃沖壓發動機技術。其中4-6馬赫叫做亞燃沖壓發動機，6馬赫以上叫超燃沖壓發動機技術，要實現這一關鍵技術其中最重要的問題包括進氣道技術，燃燒室技術和材料技術。

上圖為美軍的SR-71黑鳥戰略偵察機，它巧妙地將一個渦噴發動機裝在沖壓發動機內，在低速時渦噴發動機工作，高速時沖壓發動機工作，使得其最大速度達到了3.35馬赫，但再往上加速就比較困難了。

進氣道技術要解決的主要問題是要求高超聲速進氣道能夠讓發動機可以持續穩定的進氣出氣，且維持穩定的壓力，否則發動機就會變得不可控制甚至突然熄火。此外因為空氣流動時在和發動機交界處流速恒定為0，這就會產生一個阻力，這個交界層叫做附面層，高超音速時，這一阻力效應非常大，要解決這些問題都需要對進氣道進行精密設計，研究其三維壓縮效應，附面層效應等。

上圖為超燃沖壓發動機推動的高超音速飛行器飛行時的溫度分布圖，可以看到其承受了極高的溫度，有些表面甚至超過1000度，這給飛機材料帶來了極大的考驗。

燃燒室主要是燃料和氣流混合的場所，要解決的關鍵問題是在有限的空間(米級)、時間(毫秒級)內和在高速氣流(通常是超聲速氣流)中,實現燃料的噴射、霧化、蒸發、摻混、點火、穩定燃燒,將化學能最大限度地轉化為熱能,有高的熱效率和較小的壓力損失，但因為發動機總要逐漸增速。而在不同的速度下，氣流在燃燒室內的速度不同，對于點火等技術的要求也不同，而簡單的串聯不同的發動機不但增大重量而且并不真的有用，因此在一個發動機內同時實現多種模式燃燒就顯得非常關鍵。一般有兩種方法，一是通過精密的計算機調整燃燒位置、燃燒強度(燃燒控制)，另一種則是調整燃燒室幾何面積，這兩種方式都非常難，需要大量的計算和實驗。

燃料技術要解決的問題原理很簡單，在高超音速氣流中點燃燃料且讓其穩定燃燒一會兒，這就好比人在12級大風里點燃一根火柴還要讓其穩定燃燒一樣難，自然普遍航空煤油無法擔任這一重任。經過試驗，碳氫燃料可以承擔這一重任。特別是吸熱碳氫燃料作為冷卻劑,吸收了發動機部件的熱量,同時通過催化、裂解、發生相變形成氣態煤油、小分子碳氫燃料(如甲烷、乙烯等)和氫的混合物進入燃燒室。一方面燃料通過相變和裂解能夠吸收大量的熱量,滿足了燃燒室等壁面的冷卻要求,另一方面大大改善了液體燃料霧化、摻混性能以及燃燒性能。

三、各國競相追逐

各國為了突破實現超燃沖壓發動機技術，早在上世紀就開始了研發的腳步，1991年11月27日，蘇聯首先取得突破，其“冷(Kholod)”飛行器(Hypersonic Flying Laboratory, HFL)首次飛行試驗取得成功，實現了超燃沖壓發動機的正推力，最大飛行速度達到5.6 Ma，發動機工作時間達到27.5 s，飛行高度35 km。

后來的俄羅斯也研制出了自己的超燃沖壓發動機推動的高超音速飛行器GLL-AP-02，最大速度為6馬赫。

美國于1996年開始了這一方面的Hyper-X計劃，其目前已經試飛的X-43A，使用氫燃料超燃沖壓發動機，2004年11月16日取得飛行試驗成功，發動機持續工作10~12 s，最大速度為9.8馬赫。

上圖為美國NASA研制的高超音速飛行器X-43A，最高速度達9.7馬赫，但因為無法解決燃料持久問題，因此試飛了三次均只持續了10秒以下就耗盡燃料，最終被NASA放棄。

而后美國又研制了X-51A，由B-52投擲發射。2013年5月1日，X-51A第四次飛行試驗取得成功，最大速度達到5.1馬赫，飛行高度18.3 km，超燃沖壓發動機工作時間達到210秒，飛行距離426 km，創造了高超聲速飛行器的飛行距離紀錄。

上圖為美軍的X-51A“乘波者”高超音速飛行器，其使用三級推進的方式，先由B-52加速到高亞音速，而后火箭發動機啟動推進到超音速，最后啟動超燃沖壓發動機，該機型目前共試飛三次，均告失敗。

我國的在上世紀90年代開始了超燃沖壓發動機真正的研制工作，并由航天三院，國防科大等多家單位負責，最終國防科大王振國團隊領先一步取得突破，在超燃沖壓發動機及其地面試驗、飛行試驗技術等方面進行了開拓性研究，實現了技術水平的跨越。并獲國家技術發明二等獎，相信不久之后，我國的超燃沖壓發動機推動的高超音速飛行器就將上天翱翔。