超越X-51A与锆石:深度拆解“鹰击19”超燃冲压发动机

超越X-51A与锆石:深度拆解“鹰击19”超燃冲压发动机

在2025年93阅兵式上,中国最新一代高超音速反舰导弹方阵,向世界宣告一个新时代的到来。其中,首次公开亮相的鹰击-19吸气式高超音速巡航导弹,以其独特的乘波体构型与一体化进气道设计,成为举世瞩目的焦点。这枚长度约6米、直径533毫米、总重约2000公斤的导弹,不仅是技术工程的结晶,更是中国反介入/区域拒止体系的核心利刃。

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鹰击-19射程约为1440公里,可有效覆盖第一甚至第二岛链内的敌方大型舰艇。鹰击-19发射后跃升到25000米至35000米的临近空间,进行马赫数6-8的巡航。在最后50-80公里内,利用高性能气动舵面进行高频率、大过载的变轨。最后的攻击阶段,导弹从巡航高度转向大角度俯冲,利用重力势能进一步加速至10马赫进行灌顶撞击。防御方预警窗口被极度压缩,决策循环被大幅缩短,拦截可能性急剧降低。配合055型、052D型驱逐舰及各型攻击潜艇,进一步强化了中国海军的区域拒止(A2/AD)能力,从根本上改变了反舰导弹与舰载防空系统之间的攻防平衡。

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虽然俄罗斯的锆石导弹作为世界上第一种高超音速巡航导弹,早在2020年就服役,并于在俄乌冲突期间首次投入实战,但要理解鹰击-19在气动设计和高速机动能力上对锆石的碾压,必须回溯超燃冲压发动机这一动力形式的漫长发展史。它的理论根源可追溯至20世纪中叶,那是一个航空航天技术狂飙突进的时代。

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1944年,意大利空气动力学家安东尼奥·费里在意大利圭多尼亚(Guidonia)研究中心首次提出“超音速燃烧冲压发动机”概念。这一设想的本质极为大胆:当飞行速度超过5马赫时,若仍像传统冲压或者涡喷发动机那样将超音速气流减速至亚音速再燃烧,巨大的能量损失将使发动机效率急剧下降。超燃冲压发动机反其道而行之,让空气以超音速状态直接进入燃烧室,在音速洪流中完成燃料的喷射、混合与燃烧。想象一下在十二级台风中点燃一根火柴并保持火焰不灭,这几乎是超燃冲压发动机面临的最严峻挑战。在超音速气流中,燃料与空气混合的时间窗口仅有毫秒级,燃烧必须在火焰被吹熄前完成。这一颠覆性的理念,为人类突破“热障”、迈向更高速度领域指明了方向,但也设置了一道极高的技术门槛。

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安东尼奥·费里是超燃冲压发动机概念的正式提出者,为该领域奠定了严谨的数学和物理分析框架,被广泛誉为“超燃冲压发动机之父”。他的这一构想比美国NASA或苏联的相关研究早了近十年。

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二战结束后,通过“回形针行动”延申计划,费里以学术职位身份赴美国纽约大学。后来受到西奥多·冯·卡门赏识与引荐,加入空军研究实验室,参与高超音速推进项目。在缺乏高焓风洞的条件下,费里团队采用模拟实验方法,使用冷流风洞+化学示踪剂模拟燃料混合,提出横向喷射(transverse injection)、斜喷(angled injection)等增强掺混的构型;研究氢气作为首选燃料的合理性,从而开展早期燃烧稳定性实验。

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1964年,他在通用应用科学实验室(GASL)主持研制并成功演示了世界上首台能产生净推力的超燃冲压发动机实验样机。

单纯从末端速度来看,火箭发动机确实可以轻松达到8马赫甚至20马赫,但其必须自带氧化剂,通常占总重的60%-70%。这导致其比冲较低,通常在250-450秒之间。所以,为了减小阻力,火箭通常将弹头快速推向近地空间,然后抛物线下落。

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而超燃冲压发动机从大气中吸取氧气,只携带燃料,可在20-35公里的大气层内的临近空间持续高速巡航,其比冲可以达到1000-3000秒。在相同的起飞重量下,超燃巡航导弹的射程可以达到火箭动力导弹的3倍以上。

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因此整个1960-1970年代,美苏两国在冷战的激烈竞争中,投入巨资开展了超燃冲压发动机的基础研究。美国以NASA为中心,苏联则以中央流体力学研究院为基地,两国科学家几乎平行地探索着这一未知领域。他们建造了早期的高焓风洞,进行了大量模型实验,逐渐验证了超音速燃烧在理论上的可行性。这一阶段的关键突破在于认识到:通过精巧设计的燃烧室构型,比如使用凹槽稳焰器(Cavity Flameholding),可以在超音速气流中创造一个相对稳定的回流区,作为“火焰锚点”维持燃烧持续进行。

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然而,理论与实验室模型距离真正的工程应用还有巨大鸿沟。材料能否承受超过2000摄氏度的高温?如何实现从亚音速到超音速燃烧的平稳过渡?进气道如何在宽速度范围内高效工作?这些问题如同拦路虎,使超燃冲压发动机在很长时间内仅停留在纸面和地面实验室阶段。

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终于到了1991年11月28日,苏联中央航空发动机研究院(CIAM)在哈萨克斯坦的萨雷沙甘测试场完成了一次载入史册的高超音速飞行试验。这不仅是苏联航空技术的绝唱,也被公认为世界上首次成功的超燃冲压发动机飞行试验。 

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该试验平台被称为“冷”(GLL Kholod),得名于其使用的液氢燃料。液氢的燃烧效率高,其低温特性还为发动机舱提供冷却。研究人员改装了一枚SA-5地对空导弹作为助推器。其本身就是一种能够达到极高速度的大型远程防空导弹,非常适合为超燃冲压发动机提供所需的启动速度。导弹将试验平台推送到预定的高空和高速状态,超燃冲压发动机在约35公里的高度成功启动并运行,产生约1500牛顿的净推力,飞行速度达到了5.5马赫,首次证明了超燃冲压发动机在真实大气环境下可以实现稳定的超声速燃烧。

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