在10月1日上午的国庆70周年大会上，“DF-17”中近程弹道导弹首次公开亮相，有媒体称，这款导弹是全球首款实战化的常规高超音速武器。

高超音速武器是指飞行速度在6马赫以上的一类飞行器，使用超燃冲压发动机。

注：顺带科普一下，马赫(mach)就是音速，6马赫就是六倍音速=7350.48千米/时(km/h)。

DF17不仅飞行速度快，而且精度高，它的乘波体弹道是钱学森理论的实践，飞行器采用乘波构造，就像打水漂那样，反复冲入大气层，再弹出来。

DF-17（图片源自网络）

那么什么是冲压发动机？什么是超燃冲压发动机？什么是乘波构造？让我们一起来学习一下。

- 01 -

冲压发动机是喷气发动机的一种，它利用了发动机的前向运动来压缩空气，而不使用带有可旋转叶片的压缩机。

冲压发动机主要是利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压的航空发动机。通常由涵道（又称扩压器）、燃烧室和喷管组成。

冲压发动机本身没有活动的部分，航空器飞行时迎面气流从前端进气口进入发动机之后，利用涵道截面积的变化，让高速气流降低速度，并且提高气体压力。压缩过后的气体进入燃烧室，与燃料混合之后进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。

由于冲压发动机维持运作的一个重要条件就是高速气流源源不决的从前方进入，因此发动机无法在低速或者是静止下继续运作，只能在一定的速度以上才可以产生推力。为了让冲压发动机加速到适合的工作速度，必须有其他的辅助动力系统从静止或者是低速下提高飞行速度，然后才点燃冲压发动机。

与一般喷气发动机比较起来，冲压发动机的体积比较小，重量较低，结构也比较简单，因此对于那些需要这种发动机的高速飞行器相当有用，比如导弹。

而武器设计者曾试图在火炮中使用冲压发动机的技术。例如，如果120mm迫击炮弹使用了冲压发动机的技术，射程可能达到35公里。

不过冲压发动机在低速时的气体压缩效果有限，因此低速时效率比较差。比如，冲压发动机也被作为翼端发动机在直升机的发动机中使用，尽管效率并不高。

冲压发动机适合的工作环境是在2马赫与以上的速度，最低启动速度也大约是此界线。随着速度逐渐增加，气体的冲压效应在3马赫时效率会大幅压过涡轮喷气发动机，而此时的涡轮喷气发动机受限于超温往往已经无法运作了，但是，常规冲压发动机在燃烧的阶段，进气气流的速度，仍然需要经过激波减速至音速以下，否则燃烧过程将无法维持。

冲压发动机在速度达到3马赫左右的时候效率最佳，常规冲压发动机最高可以在6马赫的速度下工作。

新一代的冲压发动机称为超音速燃烧冲压发动机（Scramjet），这种发动机的气流在燃烧阶段还是维持在音速以上的速度，在技术难度上更高，也是目前主要发动机公司研发的目标。

冲压发动机示意图，

CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=460165

- 02 -

冲压发动机的历史

法国发明家René Lorin在1913年发明冲压发动机，并申请专利。但是由于缺少足够的材料，建造原型机的工作失败了。

匈牙利发明家Albert Fonó在1915年设计了一种增加火炮射程的解决方案。他将火药发射的炮弹与冲压发动机推进结构结合起来，使得尽管发射速度比较低，炮弹仍能有较远的射程，同时也允许相对轻型的火炮可以发射重型的炮弹。

Fonó将他的发明提交给了奥匈军队，但是这项提案被否决了。在第一次世界大战之后，Fonó回到了喷气推进的课题中。1928年5月，他在一份德国专利申请中描述了一种可以用于高海拔超音速飞行器的喷气发动机。

而在附加的专利申请中，他调整了发动机使之可以用于亚音速飞行。经过四年的专利审查，于1932年他获得了这项专利（德国专利号No. 554,906, 1932-11-02）。

美国海军使用“Gorgon”这个名字发展了一系列空对空导弹，使用了不同的推进技术，其中也包括了冲压发动机。Glenn Martin使用冲压发动机制造了Gorgon四型导弹，于1948年和1949年在Point Mugu海军航空站测试。

这枚导弹中使用的冲压发动机由南加州大学设计，由Marquardt Corporation（英语：Marquardt航空器公司）制造。这个发动机长7英尺，直径20英寸，被安放于导弹下部。

前苏联，超音速冲压发动机的理论在1928年由Brois S. Stechkin提出，Yuri Pobedonostsev对冲压发动机进行了大量地研究。

1933年4月第一个发动机GIRD-04由I.A. Merkulov设计并测试。为了模拟超音速的飞行，实验中向发动机提供了200个大气压的空气，而发动机使用氢气作为燃料。冲压发动机GIRD-08使用了磷作为燃料。

为了测试这台发动机，实验者使用一个加农炮将它发射出去。这些炮弹可能是最早的喷气动力的超音速弹丸。

1939年，Merkulov将冲压发动机用于R-3二级火箭，并进行了相关的测试。这年8月，他制造了首架以冲压发动机作为附加动力的战斗机，发动机名为DM-1，并于12月进行了世界上首次以冲压发动机为动力的飞行。飞机为一架经过改装的Polikarpov I-15，使用了两部DM-2发动机。

1941年，Merkulov开始设计一种冲压发动机为动力的战斗机Samolet D，但没能完成。在第二次世界大战中，两部他设计的DM-4型发动机被安装在Yak-7 PVRD战斗机上。

1940年，以液态燃料火箭发射、以冲压发动机为飞行动力的Kostikov-302实验飞机设计完成。该项目于1944年取消。

1947年，Mstislav Keldysh提出了一种远距离轨道轰炸机的设计方案，使用冲压发动机来代替火箭发动机。

1953年，NPO Lavochkin和Keldysh开始设计三倍音速的冲压发动机驱动的巡航导弹，Burya。该项目与R-7 ICBM同时完成，于1957年取消。

此外：

1936年，Hellmuth

Walter建造了以使用天然气作为动力的测试发动机。BMW、容克斯和DFL进行了理论的研究工作。在1941年，来自DSL的Eugen

Sänger提出了一种使用非常高燃烧温度的冲压发动机。他建造了非常大的冲压发动机管道（直径为500

mm和1000mm）并在卡车上和设置在以高达200m/s飞行的飞机上的专用的测试设备上进行了测试。随后，由于战争中汽油在德国变成了稀缺资源，测试使用了块状的压缩煤作为燃料，但是由于煤燃烧速度慢，测试没有成功，

- 03 -

冲压发动机的结构

在空气中高速运行的物体将会在运行的前方产生高压区域，而后方产生低压区域。冲压发动机利用了发动机前方的高压使空气进入发动机管道，随后，空气与燃料混合燃烧。加热后的空气传送到喷嘴并被加速至超音速。这个加速给予冲压发动机前进的推力。

冲压发动机通常被描述成“飞行的烟囱”。它的结构非常简单，包括一个进气口、燃烧室、和一个喷嘴。

通常，冲压发动机中唯一的活动结构在涡轮泵中，这个泵将液态燃料泵入燃烧室，而固态燃料的冲压发动机的结构更为简单。。

作为对比，一个涡轮喷气发动机通常包括涡轮驱动的风扇来压缩空气，这将使发动机在低速时有更高的效率，而此时冲压发动机的效率比较低。但是涡轮喷气发动机更加复杂、沉重，造价也更昂贵。涡轮发动机的温度限制也限制了其最高速度与高速时的推力。

进气口

冲压发动机利用了入口附近的非常高的动态压力。有效率的空气入口可以恢复大部分自由流滞止压力，这个压力可以用来支持燃烧与喷嘴处的膨胀过程。

大多数冲压发动机在超音速的状态下才能工作。进气口通过进气道截面积的变化使得气流速度降低，最终在出口处达到亚音速。进一步地传播将使得气流的速度进一步下降到适于燃烧的水平。

由于气流已经降至亚音速，亚音速的冲压发动机不需要复杂的进气口设计。略超过音速时，这个设计也可以使用，但是空气将在进气口阻塞，使发动机效率降低。

燃烧室

和其他的喷气发动机类似，燃烧室的功能是提供加热的空气。燃烧室需要将燃料与恒定气压的空气混合并燃烧，以完成该功能。由于通常流经发动机的气流速度很高，受保护的燃烧区域通常使用火焰稳定器来防止火焰被吹灭。

（a）涡轮喷气发动机，（b）常规冲压发动机，（c）超燃冲压发动机

三种不同发动机压缩，燃烧和膨胀区域的比较。

由GreyTrafalgar - 自己的作品，CC BY-SA 3.0，

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10785559

飞马火箭推动的X-43试验机，可达到10马赫（2004年）。

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X-43A.jpg#/media/File:X-43A.jpg

布里斯托尔警犬导弹上的布里斯托尔雷神冲压式喷气发动机，2.7马赫。

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bloodhound_thor_arp_750pix.jpg#/media/File:Bloodhound_thor_arp_750pix.jpg

- 04 -

超燃冲压发动机是最新一代的冲压发动机，也是国之重器DF-17所采用的新型冲压发动机。

超燃冲压发动机（Supersonic combustion Ramjet，缩写为Scramjet，中文简称超燃冲压发动机）是指燃料在超音速气流中进行燃烧的冲压发动机。它是一种进气流速超过音速的航空用冲压发动机，属进气式喷气发动机的一类。

超音速燃烧冲压发动机与一般的冲压发动机相比，虽然都被使用在超音速飞行器上，但其关键的差异在于，冲压发动机的进气在实际进入燃烧室之前，需经过适当的导流减速到次音速，但超音速燃烧冲压发动机的进气仍可保持在超音速状态，因此可达到更高的飞行速度。

在采用碳氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行马赫数在8以下，当使用液氢燃料时，其飞行马赫数可达到6~25。超声速或高超声速气流在进气道扩压到4马赫的较低超声速，然后，燃料从壁面和/或气流中的突出物喷入，在超声速燃烧室中与空气混合并燃烧，最后，燃烧后的气体经扩张型的喷管排出。

高超声速飞行器（飞行马赫数超过5的有翼和无翼飞行器）是未来军民用航空器的战略发展方向，被称为继螺旋桨、涡轮喷气推进飞行器之后航空史上的第三次革命。

超燃冲压发动机是实现高超声速飞行器的首要关键技术，是21世纪以来世界各国竞相发展的热点领域之一。

国外发展较多的超燃冲压发动机包括亚燃/超燃双模态冲压发动机和亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机。

亚燃/超燃双模态冲压发动机可以在亚燃和超燃冲压两种模式工作。当发动机飞行马赫数大于6时，实现超音速燃烧，当马赫数低于6时。实现亚音速燃烧。美国、俄罗斯都研究了这种类型的发动机，NASA正在进行飞行试验的就是这种类型的发动机。

亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机的进气道分为两部分：一部分引导部分来流进入亚音速燃烧室，另一部分引导其余来流发动机制动原理进入超音速燃烧室。这种发动机适用于巡航导弹这样的一次性使用的飞行器。

尽管超燃冲压发动机有许多优势，是高超音速飞行器的最佳吸气式动力，但它不能独立完成从起飞到高超音速飞行的全过程，因此人们提出了组合式动力的概念，这种方案的马赫数范围是0~15，用于可在地面起降的有人驾驶空天飞机。

国外已经研究过的组合式超燃冲压发动机主要有涡轮/超燃冲压和火箭/超燃冲压等。这种组合发动机可能成为21世纪从地面起降的可重复使用的空天飞机的动力。

用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念。国外超燃冲压发动机技术的发展已有50多年的历史。20世纪90年代，最早的专利就记录在案了。20世纪60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过飞行试验，最高速度达到马赫数7.3。通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰·霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢燃料超燃冲压发动机（相同燃料也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）。

20世纪80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划。但是，随着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近20亿美元。

2004年，NASA的HyperX计划完成，成功地进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行试验。这两次飞行都是在单一速度和高度下，持续了数秒。同年末，X－43A超燃冲压发动机试验飞行器创造了马赫数9.6的记录。

美国空军正在试图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速飞行器，并采用液体碳氢燃料作为发动机的燃料，另外还要用它来冷却发动机。

美国X-43A艺术效果图，超音速燃烧冲压发动机在其下方，

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X43a2_nasa_scramjet.jpg#/media/File:X43a2_nasa_scramjet.jpg

超燃冲压发动机的特点是，其可以在攀升过程中从大气里获取氧气。由于放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，从而节省重量。超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、单位推力（单位质量流量推进剂产生的推力）高和速度快的优点。

与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂。因此，有效载荷更大，适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。

由于有重要的军事和航空航天应用前景，超燃冲压发动机备受世界各国重视。但是，昂贵的试验费用是制约超燃冲压发动机研制的主要因素之一。

目前，人类曾制造出飞行速度最快的进气发动机飞行器——美国航太总署所开发的X-43A极音速无人实验机，就是搭载超音速燃烧冲压发动机作为动力来源的。

- 05 -

最后再学习一下所谓的乘波构造和乘波体弹道。

据介绍，乘波体弹道是我国航天、导弹之父钱学森于20世纪40年代末提出的“助推——滑翔式弹道”，也被称为钱学森弹道。

图片源自网络

首先，乘波体是一种外形呈流线状，前缘具有附体激波的飞行器，与传统气动布局的飞机导弹相比，乘波气动布局的飞行器具有极高的升阻比，在高超声速飞行时升阻比达到最大，以吸气式发动机或以组合推进发动机为动力，实现在大气层和跨大气层中以超过5倍音速的速度远程巡航飞行。

由于采用乘波体布局的飞行器能够在大气层边缘采用“助推——滑翔式弹道”，实现打水漂一般滑越飞行，到达预定载入点后再进入大气层进行跨大气层飞行，无法预测的多变弹道，加之5倍音速以上的巡航飞行能力，现有任何反导拦截系统都无法对其实施有效拦截。

相比而言，传统弹道导弹搭载的核弹头只拥有有限机动变轨的能力而没有自主巡航飞行的能力。

乘波体的概念是在1959年由诺威勒（Nonweiler）提出的，诺威勒首先提出根据已知流场构造三维高超声速飞行器的想法，用平面斜激波形成流场构造出一种具有“Λ”型横截面的高超声速飞行器。美国马里兰大学Rasmussen等人发表了中锥形流动生成乘波体的论文。值得一提的是，与Nonweiler的二维“Λ”型设计相比，由圆锥流场生成的乘波体容积率大得多，且具有较高的升阻比。

1989年，由NASA赞助，在马里兰大学举行了乘波体国际会议，会上Sobieczky等人提出了用相切锥生成乘波体的方法。其特点是通过使用多个锥体来设计激波模式，这使得人们可以根据飞行器的需要来设计复杂构型，从而使乘波体飞行器具有向实用性发展的可能。

Artist's

impression of the Chinese National Science and Technology Major Project

0901 Flying

Vehicle.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Project_0901_Flying_Vehicle.jpg#/media/File:Project_0901_Flying_Vehicle.jpg

- 06 -

高超声速飞行器本质上就是一种战斗部载具，既可以搭载各类型常规战斗部，也可以搭载核战斗部。

它可以利用弹道导弹为投送工具在地面由发射车发射到预定高度后与助推弹体分离，然后自主巡航飞向目标，也可以像美国的X-51A型高超音速飞行器由B-52H战略轰炸机携带到预定高度后投射。

由于高超声速飞行器搭载战斗部以后，具有超远距离巡航、防区外发射、短时间全球部署和到达、高空高速的特点，更重要的是现有任何一种拦截武器系统都无法实施有效拦截，自上个世纪八十年代以来一直是世界各军事科技强国争相投入研究的一种飞行器。

The Boeing X-51 forebody is an example of cone-derived waverider

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:X51waverider.jpg#/media/File:X51waverider.jpg

据报道，我国的DF-17是通过导弹发射升空到大气层外，然后又降落回大气层内离地面60公里的亚轨道，进行水漂式滑翔导弹（注意是横向机动）。

也有媒体认为，该导弹的弹头战斗部并不会飞出大气层，而是在临近空间进行滑翔飞行，可巧妙躲避敌方的雷达探测，还能在高超音速状态下大幅增加敌方拦截的难度。此外，传统反导系统需要预测来袭导弹的路径，才能实施拦截。

高超音速武器已成为全球军事强国竞相角逐的热门领域。美国首先提出了“一小时打遍全球”的“常规快速全球打击计划”。俄罗斯2018年率先发布了“匕首”“先锋”等高超音速武器，它们的超高速度与超强机动性能，让传统的反导系统难以防御，因此被称为颠覆性新概念武器。

据中国导弹技术专家介绍，“DF-17”的服役，将在中国维护国家周边领土主权完整的斗争中发挥重要作用。它与其他导弹型号共同构成射程衔接、能力互补、高低搭配、运用灵活的体系，可对中近程目标实施精确打击，DF-17也将成为使命必达的精确打击尖刀。

正所谓，手执利剑，才能震慑宵小。金刚手段，方显菩萨心肠。

DF-17，国之重器，使命必达。