祝新朋老友虎年吉祥

清華大學航天航空學院王兵教授團隊在1月25日進行了自主研發的新型發動機演示實驗，發動機在預定高度和速度點火成功，穩定工作。實驗重點在等熵進氣道和噴霧燃燒，但與坊間的期望不同，這是亞燃沖壓，不是超燃沖壓。

這里有一個很贊的視頻，對清華的新型發動機做了非常贊的介紹。：

各種新聞報道就請看官自己搜索了。

在兩彈一星時代，中國需要舉國之力才能搞定火箭。時代不同了，清華大學都可以自己發射火箭了。而且這是不一樣的火箭，引起人們的極大關注。

清華大學公布了一段視頻，但語焉不詳，很多技術細節都避而不談，唯一可以確認的是：這是吸氣火箭，采用航空煤油作為燃料。

新聞里還展示了頭部的錐形體和環形進氣口。這其實是技術關鍵，但光靠看還是很難看出門道的。

圓柱體后有擴張的裙體，裙體后有顯眼的噴口。再后面就是常規的助推火箭了。用兩級火箭未必是需要打多高、多遠，可能是分兩級更加容易精確達到沖壓發動機的工作高度和速度。

從動畫里，可以看到燃油管路通到前部的中央紡錘體與進氣道外壁之間，在這里點燃空氣-燃料混合物。有意思的是，在后面擴張的裙體位置，似乎有第二次燃燒，實際上這只是高溫燃氣的膨脹、噴出，并沒有第二次燃燒。值得主意的是中央紡錘體結尾的地方，主燃燒室的外壁有收斂-擴張，這應該是拉瓦爾噴管，將亞音速燃燒的高溫燃氣加速到超音速。這是超音速飛機的噴氣發動機的通常做法。燃料球罐意味著壓力很高，這對燃料霧化有好處，但燃料霧化不是靠這點壓力，后面要說到。

進氣口“頂著“尖頭錐，這在米格-21戰斗機上就見過，基本道理有點相似，但還是不一樣。

超音速戰斗機進氣道設計的關鍵要求是把進氣從超音速降低到M0.5-0.6左右，渦輪發動機的壓縮機和燃燒室都只能在亞音速工作。在這一點上是一樣的，只是不一定一路減速到M0.5-0.6，可能更高一點。

超音速的“布拉莫斯”反艦導彈也是差不多的進氣口，但范冰冰和李冰冰都是一個鼻子兩個眼睛，細究起來差別可大了去了。這不是簡單圓錐，而是前面更加尖細一點。

簡單的圓形進氣口產生垂直于進氣方向的正激波，激波前為超音速來流，激波后為亞音速尾流。正激波的減速效果好，但阻力很大。所以米格-15那樣的戰斗機再加大發動機推力，也很難達到超音速，阻力的增加會快于速度的增加。

用斜坡產生斜激波，可以使得超音速來流在減速的同時，產生一點偏轉，由Mi和Me顯示。斜激波的減速效果降低，但阻力大大低于正激波。用多道不同角度的斜激波（也就是所謂的多波系，一般不超過三波系）漸次減速，減速效果改善，減阻效果也改善。最后進入進氣口的時候，還是要穿過一道正激波，但這時氣流速度已經接近音速，正激波的阻力較小。進入進氣道后，氣流減速到亞音速。

實際進氣道設計時，不僅要考慮正激波正好位于進氣口唇口的問題，還要考慮斜激波與進氣口之間的“封嚴”問題。正激波在唇口之前，減速增壓后的進氣氣流會從唇口外泄露，損失進氣效率；正激波在唇口之后，激波會造成對結構的損壞，在內壁的額外反射會使得激波變形和進氣復雜化。斜激波也差不多，封口“脫開”要造成漏氣，進入進氣道內則容易造成結構損壞?？烧{進氣口一般就是指可以調節斜激波的位置或（有時是“和”）角度，精確控制進氣口狀態。

實際上，上面的進氣道是最常見的外壓式，還有內壓式，通過唇口激波與在內壁上的反射激波層層減速，理論上效果更好，但實際上因為最后一道正激波需要恰好在喉道位置，很難控制，弄不好就造成進氣道“堵塞”，或者激波進入燃燒室造成破壞，很少實用。混壓式是把外壓式和內壓式結合起來，可調的外壓式增加一點激波控制的手段，但還是較難用。

清華火箭的尖頭錐就是這樣不斷改變斜坡角度的外壓式進氣道。

但這不是上面簡圖中分段改變角度的折線斜坡，而是連續的內凹曲線斜坡，所以產生無限多道激波。在熱力學上，這稱為等熵壓縮。

之所以說是壓縮，是因為進氣穿過每一道激波后，都在減速的過程中得到增壓。減速增壓可以這樣理解：一列火車在行駛，前面減速了，后面的車廂漸次“壓”到前面的車廂，這不就增壓了嘛。

最后穿過環形進氣口處的正激波，進入進氣道。

這里把尖頭錐的連續內凹曲面夸張了一點，便于看出。

在唇口之后，內部擴張，進氣在亞音速下進一步減速增壓。到這里，已經可以斷定：這不是超燃沖壓，而是亞燃沖壓。

但進氣氣流兵分兩路，一路貼著外壁（實際上不止外壁，是整個剖面）流動，一路貼著中心紡錘體流動。

貼著紡錘體流動的氣流與燃料混合，與貼著外壁流動的進氣主流混合，點火燃燒。

不知道為什么，這里沒有畫出收斂-擴散段，但尾部的錐形體可以清楚地看到。高溫燃氣在通過收斂-擴張段后達到超音速，被錐形體劈開，向側后噴出?？梢钥吹?，熾熱噴流加熱燃料管，燃料受熱升溫增壓，改善噴霧和燃燒效率。

視頻中說這個工作循環可用于M3-6，實際上超過M4就比較吃力了。

這樣的等熵進氣道不是新發明，60年代美國D-21高空高速無人偵察機就用這個。中國有一架殘骸，在軍博展出。不過當時技術水平較低，D-21的失敗率很高。這也難怪。理想的等熵進氣道只能對特定的速度、高度進行優化，條件偏離一點點就不行，要么阻力急劇上升，要么進氣急劇下降，是出名的暴烈。清華可能用現代計算流體力學使得等熵進氣道對進氣條件的適應性有所增強，更加實用了。這是不小的改進。消息中所謂“自增壓”可能也是指等熵增壓。

清華的第二個秘密武器是新型霧化裝置，這是燃料與空氣均勻混合、可靠點火的關鍵。

進氣在通過進氣唇口的正激波后，減速到亞音速，但在噴嘴的收斂-擴散段里，重新加速到超音速。

超音速氣流形成的正激波“撞擊“注入的燃料時，好像鐵錘砸到液滴上，燃料立刻就粉碎霧化了。這是比一般的高壓霧化更加有效的霧化辦法。超音速氣流夾帶著燃料進入主燃燒室時，立刻再次減速到亞音速，與外壁過來的亞音速進氣混合，點火燃燒。值得注意的是，超音速霧化不僅可用于沖壓發動機，還可用于常見的渦輪發動機甚至內燃機。這甚至是降低污染的新型燃燒技術的需要。氮氧化物產生于高溫燃燒時對空氣中氮的加熱。燃燒溫度越高，熱效率越高，但氮氧化物排放的問題也越大。用超音速噴流在燃燒室的中心形成柱狀貧氧燃燒，然后再擴散到周圍富氧環境進一步燃燒，加熱空氣，是提高燃燒效率、降低排放的有效辦法。這是因為火焰是有徑向擴散速度的，油氣早早均勻混合了，外圈實際上要到后段才輪得上點火，實際上有不少富燃氣體排放出去了。在燃氣向后的流動和火焰向外的擴散中精確匹配，才能達到真正需要的油氣混合。汽車發動機里就是這樣做的，而不再是在整個氣缸容積里均勻燃燒了。

高超音速是眼下的熱點，但“低超音速”不應該忽視，大部分戰術導彈依然實在這個速度范圍。改善空空導彈、反艦導彈、防空導彈的推進技術，增加射程和速度，縮小尺寸，依然是重要的。眼光放得更遠的時候，腳下更要看清，更要站穩。超音速霧化技術更是有廣泛的應用范圍。

肯定會有人說，這只是中國在完善美國50年前提出的技術。沒事，隨他們說去，美國提出技術概念中國負責落地這又不是第一次了而現在一個大學都可以做了。