 | | ＧＤＥ－１引擎项目的负责人卡斯特几瓦尼在风洞实验室的外面 |
 | | Ｘ－３０国家太空飞机计划的研究人员设计的极超音速飞机的样图 |
 | | 关于美军飞机中传说最多的也最神秘的是“极光”战略侦察机（设计图），它采用的可能就是超音速冲压喷射技术制造的引擎 |
 | | 黑鸟侦察机，ＧＤＥ－１的燃料就是其现在使用的航空燃油 |
 | | 美军快速反应导弹，能够在５分钟内上升到３４２公里的高度，也采用超音速冲压喷射技术制造的引擎 |
 | | 由采用超音速冲压喷射技术制造的引擎驱动的飞行器的设想图 |
“迅速全球打击能力”一直是美国的军队、尤其是空军追求的目标，由于美军在这个理念中更加看中从本土出发执行海外军事打击行动的能力，美国设在海外的众多军事基地的重要性被削弱，实现这一军事策略所缺乏的是速度更快、可靠性更高的各式武器，美军现在把这些要求都寄托在了采用超音速冲压喷射技术研制的新型引擎上，GDE-1就是这种引擎的原型机。 空军宇航局均看重 你从来没有见识过这样的风洞：它位于纽约市郊区长岛的一个商业区，如果你打开风洞运行的开关，风洞中就会产生出相当于160倍标准大气压的压力，这样巨大的压力是借助于氢氧混合物的爆炸作用和一个兆瓦特级的发电机产生的巨大能量来实现的。两者结合起来，足以使风洞中的环境与一架飞机在距离地面32公里的高空中以每小时8530公里的速度飞行时所遇到的恶劣大气环境相比。在这样的状况下，仅仅依靠目前的技术，飞机是不太可能正常飞行的，因为强烈的大气流所积聚的巨大扭力和能量，足以把飞机的机体和机翼采用的镍合金扭曲甚至熔化。 在风洞的中央地带，是用巨大的螺丝钉固定起来的笨重而又稳固的铜制基座，上面安装着一项高科技工程的核心部件：一台1．8米长、约91公斤重、采用超音速冲压喷射（Ｓｃｒａｍｊｅｔ技术制造的引擎。这是由美国宇航局和美国空军有关部门联合开发研制的燃烧式超音速喷气发动机的原型机，该原型机被称作ＧＤＥ－1引擎。 军事和民用意义重大 美国宇航局和美国军方联合研制的这种喷气发动机，能够使飞机的飞行速度达到6～8倍音速，而其所使用的燃料仍将采用现在一部分飞机所使用的普通航空燃油，这一特点将使该型号引擎得以广泛应用，最终将促使科研人员研制出一系列新一代的远程轰炸机、快速反应巡航导弹以及太空发射系统，特别是在太空发射系统上的应用，将使目前进行载人和载物发射时的高昂发射成本降低到原来的百分之一。 追求比导弹更快的速度 美国宇航局和美国空军的研发目标是，到2008年，能够使用该型号引擎驱动小型无人驾驶飞机，并且使无人机的飞行速度能够达到甚至超过每小时8530公里。 如果这种发动机研制成功，参与研究工作的那几所大学的教授们将会一举成名。他们所努力追求的极超音速至少要达到音速的5倍，而目前，拥有这种飞行速度潜力的飞行器仅限于导弹，它们所使用的发动机均为仅能使用一次的喷气发动机，而燃料则是专门制造的氢燃料或者是烃（碳氢化合物）燃料，这些发动机在导弹飞行结束后即被破坏，因此这些高性能的发动机不能更多地应用于其它用途。而超音速冲压喷射技术制造的引擎将会解决这个问题，对于将来有可能驾驶这种引擎驱动的飞行器的飞行员来说，那种感觉更像是骑在导弹上，而不是在开飞机。 所用技术不被看好 超音速冲压喷射发动机技术是在ｒａｍｊｅｔ喷气发动机技术的基础上发展起来的，而该种喷气发动机技术的原理和采用该技术制造的引擎的构造，是目前世界上所有发动机技术中最简明的。空气流从发动机的进气口进入机体内，在这个过程中，狭窄的进气管道使气流的速度降低，同时气流的温度的压力都迅速升高，然后气流进入燃烧室与喷射进燃烧室的燃料颗粒发生燃烧作用，燃烧后的气体迅速地从排气口冲出，这时气流流出的速度超过气流进入发动机时的速度，产生向前的推力。 新技术源自好奇心 自从1950年以来，ｒａｍｊｅｔ喷气发动机技术就被广泛应用于制造驱动各种型号导弹的引擎上。这种技术刚开始应用的时候，进气流的速度可以被控制在音速以下，而当引擎的速度达到7～8倍音速（7406～8533公里小时）的时候，气流的温度和压力就显著增加，发动机的性能也因此变得不稳定，因为发动机排气口外部附近的气体温度已经很高，它很难再向外排放热量。因此，机体必须进行加固、同时重量也随着增加，这样才能承受引擎内巨大的压力。为了解决这个问题，一些好奇心比较强的工程师研究和开发了超音速冲压喷气发动机技术，采用该技术的引擎能够在进气流的速度不低于亚音速的情况下，保持良好的性能。 第一台采用超音速冲压喷射技术的引擎，早在1961年就研制了出来，当时的研究者们也是出于好奇心才进行研究工作的，那时这样类型的发动机被称为“沙盒子”，即仅仅是为了满足工程师们的好奇心理，而没有一点实用价值。 不受重视情有可原 不过，超音速冲压喷射发动机技术在刚出现的时候没有受到重视，也情有可原，正如工程师们说话：“当时采用这种技术的引擎放在风洞中进行实验的时候，它根本不可能运转。起动以及保持引擎正常运转就像是在飓风中点燃一根火柴棒。”因为，速度超过音速的气流，轻而易举地就把燃油颗粒吹到发动机外面，后来研究人员采用液态氢燃料解决了这个问题，因为氢的燃烧速度极快，而且所释放的能量是普通燃油的两倍。但是液态氢的密度低，这要求有更大燃料箱，而飞机的机体也就更长。在失败了的ＮＡＳＰ计划中，最后研究成型的飞机竟然长达61米。使用液态氢还有一个问题，液态氢的沸点为－150℃，因此还必须保证燃料箱的低温，否则，液态氢不断汽化，会把燃料箱撑破。 两大难题得到解决 超音速冲压喷射发动机技术的研制，对参与研究工作的科研人员来说是一项极大的挑战，他们为了提高原型机的性能和可靠性，已经苦苦奋斗了将近10年，做了无数次的实验，而实验的成功率则是让人沮丧的，不过在去年5月的实验中，他们的研究终于有了突破。 原型机开始产生正推力 在研究实验中的遇到的一个难题是，以前的大部分超音速冲压喷射装置不能产生向前的（正）推力：空气的阻力，即引擎进气时的对机体向后的推力，比引擎向后喷射气体时产生的向前的推动力要大。对该技术持怀疑论点的人说：“你们已经在这个技术上花费了40多年的时间，但到现在还没有让一个引擎产生向前的推力。”一个主要从事Ｒａｍｊｅｔ发动机技术开发的公司说：“我们现在仅靠Ｒａｍｊｅｔ就能够使飞行器的速度达到7～8倍音速，我们觉得根本没有必要去开发什么超音速冲压喷射装置。”而该技术的支持者则对此不屑一顾，认为他们的技术对高速运行的飞行器一定更加有效。一个使研究者们比较振奋的消息是，2001年5月进行的实验中，ＧＤＥ－1引擎原型机已经能够产生向前的推力。但由于保密原因，研究人员拒绝透露有关推力的数据。 2001年5月1日，研究人员对一台ＧＤＥ－1引擎的原型机进行了首次实验，这台原型机是用铜制造的，只能够运转几秒钟，之后就会被内部的燃料产生的热量破坏掉。一台实际应用的ＧＤＥ－1引擎还会安装特殊的冷却系统，这样它的飞行重量也会随之增加。 燃料可用普通航空燃油 一般实验的过程中，通常采用的燃料依然是比较危险而又难以处理的氢燃料。因为，普通发动机吸入空气后，会把空气的速度降低至亚音速，而超音速冲压喷射发动机则要把吸入的空气的速度保持在超音速的状态。这样，保证燃料正常燃烧就成了一个比较难解决的问题。 不过，这种新型引擎，在航空工程公司配备了各种各样先进设施的复杂风洞试验舱里进行测试时，使用的是ＪＰ－7燃料，这是一种更容易控制的煤油类喷气发动机燃料，这一点对其将来的发展意义也很重大。洛克希德公司制造的“黑鸟”高空侦察机使用的就是ＪＰ－7，它的时速高达3219公里小时。ＪＰ－7航空燃油与氢燃料相比，无论在运输上，还是在搬运过程中，都更加方便，同时由于再被喷射到燃烧室之前还要流经一个输油管，对引擎还起到了冷却的作用。研究人员目前的研究工作正一步一步地接近成功，在他们今年夏天所进行的几次实验中，就成功地在超音速环境中起动了原型发动机，并使其持续正常燃烧了相当长的时间。 类似计划最终失败 与ＧＤＥ－1引擎项目有点关系的是“Ｘ－30国家太空飞机计划Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｓｐａｃｅｐｌａｎｅ ＮＡＳＰ”。1986年1月，“挑战者”号航天飞机顺利完成太空飞行任务后，当时的美国总统里根拨了几十亿美元，设立了这个旨在研究出能够替代火箭和太空飞船的新型飞机研制计划，该计划的最终目标是要研究出一种能够在普通跑道上起飞、而能够以极超音速的速度飞行的飞机。当时匆忙加入该计划从事研究工作的卡斯特几瓦尼回忆说：“当时的计划太冒进，没有一点现实基础，那样的速度要求在当时的条件下是不可能实现的。” “Ｘ－30国家太空飞机计划”在研制过程中，对相应引擎所采用的技术，选择的就是超音速冲压喷射技术。那时这个研究计划还没有要制定出开发具体的飞行器的计划，它当时的研究工作主要围绕使发动机的性能能够满足使飞行器的速度达到每小时2575公里的要求，而这一点对超音速冲压喷射发动机技术来说是可以实现的。 而计划的最终目标是要借助于采用超音速冲压喷射发动机技术研制的新型引擎的高性能，使飞行器的飞行速度达到15倍音速，当时的研究者们还考虑到使用小型火箭推进器把飞行器送入预定轨道中，以使计划更为可行。而要完成这个雄心勃勃的计划，还有至关重要的一点：制造出全新的耐高温混合材料。 最终，计划的研究人员虽然制造出了原型机，但机器的表现十分糟糕，同时由于预测数据的精度要求难以实现，且受当时使用的计算机的性能限制，这个计划于1992年以失败宣布告终。后来该计划的原班人马都进入了超音速冲压喷射发动机研制项目组，并在燃料和冷却系统的研究中取得了长足的进步。 通力合作目标各异 实验中的情形在研究人员看来“跟火箭点火时的情形差不多”。不过，这种引擎的研究者们所要避免的就是这种发射火箭般的情形，美国宇航局和美国空军需要的是吸气式飞行工具，它能够以火箭飞行时的速度在空中遨游，但不需要携带沉重的液态氧。 军方的要求是具有“迅速的全球打击能力”的飞行工具，它，可能是远程轰炸机、作战半径大大增长的战斗机、新型的巡航导弹，能够在尽可能短的时间内由本土而不是海外的军事基地起飞对地球上的任何目标进行攻击。 而宇航局则试图通过此种发动机的成功研制，抛弃他们现在使用的笨重而性能又不稳定的火箭发射系统，这些发射系统耗费了大量的能量，而运载的大部分东西不是人和其他试验物资，而是它们自身的重量和所携带的液态燃料的重量，这些重量几乎占了总重的99％。美国宇航局先进运输计划的负责人斯笛夫·库克说：“火箭技术已经没有什么潜力可以挖掘。”如果你要在大气层中飞得更快和更高，发射器就应该相应地更轻和更有效率。 虽然媒体在谈到极超音速飞机的时候，习惯用2小时内从纽约飞到东京来比喻，但这个研究工程与美国的航空公司一点关系也没有，其主要的支持者是五角大楼和美国宇航局。 实验风洞专门制造 为达到实验所需条件，所做的工作难度相当大。由于对速度的要求前所未有，研究人员建造了专门的风洞。在直径为1．8 米的圆柱形实验舱里，要产生所需要的强大气流，需要耗费巨大的能量，而所使用的设施则是众多的容器、管道和阀门所组成的一个迷宫一样的世界，就是在这样一个错综复杂的环境下，试验室在短时间内使空气的流动达到了不可思议的速度。 巧妙设计制造逼真飞行环境 风洞的进气口，与卡车大小的一组钢制圆柱型储气罐连接在一起，罐中储存的是20吨重的压缩气体。储气罐中16立方厘米的空间里，空气的重量就有1088公斤。风洞的排气口与位于风洞后面的直径为14．6米的球型钢制真空罐连接在一起。实验进行时，先把真空罐内容纳的空气抽出，达到距离地面2．44万米的大气状态，在这个高度，大气接近于真空状态。 然后，圆柱型储气罐中储存的空气被输送到一个加热器中，加热器由氢氧混合燃料燃烧加热，可把流经的空气的温度加热到4000℃的高温，而空气在加热的过程中，由于混合燃料的不充分燃烧，部分氧气被释放到流经的空气中，空气流中氧气的含量得以增加，使得喷射冲压发动机的运转能够更加稳定。 被加热后的空气流经一个火箭形状的喷头，被其喷射到试验舱中，舱中的ＧＤＥ－1引擎被这样的气流包围着，而引擎的进气管则把吸入的空气的速度降低并进行压缩，与此同时，加热过的燃油也被喷射到发动机的燃烧室中，发动机开始燃烧过程产生动力。 实验舱中的温度和压力测试表也同时开始工作，记录下实验过程中温度和压力值及其变化过程。安装在引擎上的拉力表则记录下引擎所产生的向前的推力的变化过程。储气罐中储存的空气可以使实验持续30秒甚至1分钟，这段时间已经足够用来起动引擎，并使引擎的燃烧持续一段时间，以使安装在内部的各种仪表记录下各种数据的变化，供研究人员分析。实验场地由研究火箭的科学家控制，由于所使用的氢氧混合燃料产生了极高的温度和巨大的气压，实验过程相当危险，而且氢氧混合物也是极容易爆炸的物质，因此在实验过程中一点也马虎不得。 成功并非遥不可及 对于飞行员来说，如果有幸驾驶ＧＤＥ类引擎驱动的飞机，那种感觉肯定非常奇妙，感觉更像是骑在导弹上，而不是在开飞机。 在ＮＡＳＰ计划中，参与者为飞行物设计了非常小的侧窗，但是，侧窗上没有挡风玻璃——因为还找不到合适的材料，这种材料必须轻巧、透明，而且能经受873℃～1310℃的高温。其设计比较特别的是，飞行器没有前窗，而且驾驶员座舱的位置离飞行器的前端也非常远，以致飞行员不可能通过前窗看到飞行器外的情景。这样设计是因为，5倍音速使得飞行员所看到的景物都是被拉伸变形后的景象。因此，飞行员将依赖电脑合成影像来飞行。 由于有了ＮＡＳＰ计划的前车之鉴，没有人能保证设计出一架可实际运行的飞行器——不论是导弹、运载火箭还是极超音速轰炸机。虽然，ＧＤＥ－1引擎的研究似乎也很慢，但是卡斯特几瓦尼称，这只是“一个合理的时间范围。投入更多的资金将会加速研究进度，但是即使是9个女人也不可能在一个月中生出个孩子来。” 但是，一种由（ｆｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ）超音速冲压喷射装置推进的飞行器，似乎离现实并不那么遥远。研究人员曾拿超音速冲压喷射引擎同20世纪40年代的喷气发动机做比较，他说：“许多人认为它们（超音速喷压冲射装置）太奇怪，只适用于军用飞机——但是，20年内我们将把它用于747飞机。”飙 本版编译 阿哲（署名除外）
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