全球首架氢动力喷气机，如何实现12倍音速飞行？|氢动力喷气机|火箭|超音速|速度|飞机|飞行器|马赫

一架用氢做燃料、以超过12倍音速在高层大气中飞行的飞机，听起来像是科幻小说里才会有的东西。然而，这正是澳大利亚Hypersonix Launch Systems公司DART AE验证机背后的承诺。这是一种小型无人飞行器，其核心是SPARTAN超燃冲压发动机——一种全新类型的发动机。这项研发计划的近期目标并不是让这架飞机用来载客。

相反，它将用于记录飞行数据。除非让真正的原型机飞上天，否则高超音速很难得到验证，因为地面设施无法再现马赫数5条件下的激波加热、湍流、发动机点火以及精确的速度控制。这是一个最终将推进、材料、自主性和精心协调的测试后勤结合在一起的工程项目，任何小失误都会很快滚成大麻烦。此外，“世界首个”这个说法还需要更多背景来加以说明。

NASA在2004年研制了一架X-42A飞行器，它采用氢动力超燃冲压发动机，短暂达到了9.6马赫。所以，这架新的无人飞行器更多算是对现有技术的优化和改装。Hypersonix的宣传点是：这种新飞行器制造周期更短、发射次数更多、发动机运行时间更长。该计划的支持者还强调使用绿色氢能源，最终把这项计划定位为：既是一种与国防相关的飞行器能力，也是一项更清洁的整体推进实验。

超燃冲压发动机到底是什么？

我们需要首先明确定义什么是超燃冲压发动机。scramjet一词是超音速燃烧冲压发动机的缩合形式，这是一种没有风扇或压气机的发动机。相反，这种发动机完全依靠飞行器的前进速度来压缩进入的空气。在大约马赫数5及以上的速度下，进气道本身会产生激波，而进气道管道的几何结构能把气流压缩到高温、高压状态。

随后，当飞机在空中飞行、超音速气流持续通过燃烧室时，燃料被注入并燃烧。这既是它的魔力所在，也是让人头疼的地方。由于这类发动机的停留时间极短，燃料不得不极其快速地混合、点火。火焰本身必须保持稳定，同时不能堵塞整个气流通道。与此同时，机身和发动机合为一体，机身帮助形成发动机的进气道，而喷管则同时提供升力和推力。

这就是为什么超燃冲压发动机通常与火箭或其他助推器搭配使用，因为这种发动机不像涡轮发动机那样，能让飞行器先滑行、再缓慢启动。即便是迎角或热量的微小变化，也可能严重破坏超燃冲压发动机的燃烧稳定性，凸显出这类发动机的极度不稳定性。当一个项目承诺高马赫数时，问题不仅在于峰值速度，还在于发动机本身如何让飞机保持这一速度，以及飞行员能否进行真正精准的操控。

为什么氢气能帮助实现更高速度？

氢气对超燃冲压发动机极具吸引力，部分原因在于从化学性质上说，这种元素特别容易燃烧。氢原子扩散快、和燃料混合也快，还能够在很宽的条件下点燃——当只有几毫秒时间燃烧大量燃料时，这正是你需要的。这种元素每一公斤都蕴含大量能量，在阻力随速度急剧增大、飞机还要对抗急剧升温的情况下，这一点至关重要。

在大多数高超声速设计中，冷燃料甚至可以兼作冷却剂，甚至在进入燃烧室之前，就先从高温结构或发动机壁吸走热量，最终提高整体生存能力并延长动力运行时间。然而，氢气本身的储运就是一场噩梦。该化合物的低密度意味着需要体积庞大的储罐，要么低温冷冻成液氢，要么高压存储，这两者都会增加重量、复杂性和安全隐患。

高超声速飞行器的燃料系统必须在持续的振动、快速加速和温度急剧升高的环境下保持稳定，同时还要在发动机可工作的窗口本来就窄的情况下维持精确的流量控制。因此，使用氢气并不能消除高超声速风险，而只是让风险转移到了别的地方。高超声速氢燃料发动机带来速度的代价，就是硬核的集成工作：储罐、隔热、阀门、更完善的管路系统，一样都不能少。漏气检测也得做到位。

一款能力很强的测试飞行器

Hypersonix Launch Systems公司的DART AE（增材工程）是一架无人高超声速验证机，旨在作为高频次、低成本的飞行测试平台。该机型并非设计为真正可用的喷气式飞机，而是为制造商的吸气式高超声速发动机采集真实飞行数据。后续还得研究进气道特性、燃烧稳定性、热载荷管理和空气动力学这些方面。

这架飞机的动力核心是 SPARTAN，一种固定几何构型的超燃冲压发动机，它利用大气中的氧气来燃烧氢气。Hypersonix 还大量采用增材制造技术来打造飞行器结构，最终采用高温合金，以缩短生产周期、加快迭代速度。下表根据 Hypersonix 公司的数据详细列出了这架飞机的一些规格参数。

飞行器本身相对较小，预计航程不会有多远。但一架有动力、能进行短时弹道冲刺的高超音速飞行器仍然很了不起，其模块化有效载荷舱能让客户方便地加装各种传感器、遥测组件或实验硬件。

困难重重、挑战多多的研发过程

研发过程将围绕超燃冲压发动机的一个基本限制展开，主要是它无法从静止状态直接启动。根据 Hypersonix 公开的 DART AE 测试描述，超燃冲压发动机本身需要先被助推到约5马赫才能自行点火，之后这款吸气式发动机才能接手，驱动飞行器进行高超音速加速并收集数据。

为了在美国把这事儿推动起来，Hypersonix 已经和 Rocket Lab 合作，计划在国防创新部门的 HyCAT 项目框架下，用 Rocket Lab 的 HASTE 亚轨道平台，从 NASA 沃洛普斯飞行设施那儿的“中大西洋区域航天港”发射 DART AE。等它跟母机分开之后，这架自主模型机将测试非弹道轨迹、受控点火，以及能不能长时间保持稳定控制，好证明它确实有能力拿到这架无人机想收集的数据。

另外，Hypersonix 已经和 Kratos Defense 合作搞助推器集成方案，比如用 Zeus 固体火箭发动机的方案，这样随着任务变化，发射选择可以更灵活。开发进度也受了一些不起眼的活儿影响，比如审批许可、出口管制，还要协调联邦航空管理局和 NASA 那边。

这架飞机有可能以 12 马赫飞行吗？

无论如何，咱们不太可能看到这架验证机真的飞到 12 马赫。厂家现在公布的指标里，也看不出它能飞那么快。人家说得很清楚，这架飞机的预期最高速度是 7 马赫。那为什么还会提到 12 马赫呢？关键就在 SPARTAN 发动机。Hypersonix 表示，SPARTAN 需要大约 5 马赫的速度才能启动工作，而且这发动机能带飞飞行器到 12 马赫。

这更多是发动机制造商的一种愿景，而非经实际机体验证的性能数据。要在受控大气层内真正达到12马赫，需要一架专门为此优化的飞行器。NASA打造的X-43A曾短暂达到9.6马赫，这说明了持续高超声速飞行有多么困难。因此，这一说法仍极具理想色彩。