這是一位藝術家對Hyper-X研究飛行器與助推火箭分離后在超燃沖壓發動機動力下自由飛行的描繪。對高超聲速噴氣式飛機的新研究可能會通過使超燃沖壓發動機更加可靠和高效來改變太空旅行，從而產生類似飛機的航天器。

這張來自原始Hyper-X測試的計算流體動力學圖像顯示了發動機以馬赫數7的速度運行。

2004年11月16日，NASA的B-52B攜帶第三架也是最后一架X-43A飛行器，在“飛馬座”火箭上巡航到太平洋上空的試驗場。

弗吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員證明，可以使用光學傳感器控制雙模超燃沖壓發動機。

作為NASA資助的一項新研究的一部分，弗吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員在《航空航天科學與技術》雜志6月刊上發表了數據，首次表明超聲速燃燒噴氣發動機中的氣流可以由光學傳感器控制。這一發現可能實現高超聲速噴氣式飛機更有效地控制。

此外，研究人員還實現了超燃沖壓發動機的自適應控制，這是高超聲速推進的又一創舉。自適應發動機控制系統可響應動態變化，以保持系統的整體性能最佳。

“自上世紀60年代以來，建造單級入軌飛機一直是航空航天的優先事項之一，我們希望這些飛機像傳統飛機一樣從水平起飛飛入太空，并像傳統飛機一樣降落在地面上?！备ゼ醽喆髮W航空航天研究實驗室主任克里斯托弗·戈恩教授說，“目前，最先進的飛船是SpaceX星際飛船。它有兩個階段，垂直發射和著陸。但為了優化安全性、便利性和可重復使用性，航空航天界希望建造更像波音737的東西。”

戈恩和他的合作研究者，弗吉尼亞大學工程學院副教授克洛伊·德迪奇（Chloe Dedic）認為，光學傳感器可能是控制方式的重要組成部分?！皩ξ覀儊碚f，如果一架飛機以馬赫數5或更高的高超聲速運行，那么采用更接近光速而不是聲速的傳感器可能更可取?！备甓髡f。

提高超燃沖壓發動機性能

長期以來，NASA 一直在努力防止噴氣發動機中可能出現的“未啟動”現象，該術語表示氣流的突然變化。這一名稱源于超聲速風洞的專門測試設施，“啟動”意味著風已達到所需的超聲速條件。

弗大工程學院有幾個超聲速風洞，包括超聲速燃燒設施，它可以模擬以5倍聲速行駛的高超聲速飛行器的發動機狀況。“我們可以運行數小時的測試條件，使我們能夠在真實的發動機幾何形狀上試驗新的流量傳感器和控制方法?！钡碌掀嬲f。

沖壓式噴氣發動機本質上是利用飛機的向前運動將空氣“撞擊”到發動機中，以產生燃燒燃料所需的溫度和壓力。它們的工作速度約為馬赫數3~6。隨著飛行器前部的進氣量變少，沖壓式噴氣發動機的內部風速減慢到亞聲速。然而，飛機本身卻沒有。

不過，超燃沖壓發動機略有不同。雖然它們也是“吸氣式”的，并且具有相同的基本設置，但它們需要保持通過發動機的超快氣流以達到高超聲速。

戈恩解釋：“如果高超聲速發動機內部發生了一些事情，并且突然產生了亞聲速條件，那就是“未啟動”，推力會突然減小，屆時可能很難重新啟動進氣?！?/span>

測試雙模超燃沖壓發動機

目前，與沖壓式噴氣發動機一樣，超燃沖壓發動機需要升壓才能使其達到可以吸收足夠氧氣運行的速度。這可能需要火箭助推器的幫助。

最新的創新是雙模式超燃沖壓發動機燃燒室，這是弗大工程學院領導的發動機測試項目。雙模式中較低的馬赫數以沖壓式噴氣發動機模式啟動，然后以超過馬赫數5的速度在燃燒室中接收完整的超聲速氣流。在發動機進行過渡時防止啟動失敗至關重要。

來風與進氣道壁相互作用，形成一系列沖擊波，稱為“激波”。傳統上，這些激波的前緣會對飛機結構的完整性造成破壞，因此一直由壓力傳感器控制。例如，傳感器可以通過重新定位激波的位置來進行調整。但是，如果飛行干擾改變了空氣動力學，那么激波的前緣位置可能會迅速改變。激波會給進氣口增壓，產生“未啟動”條件。

戈恩說：“如果你以聲速感知，但發動機運動進程的速度比聲速快，那么就沒有太多的響應時間?！彼c合作者想知道是否可以通過觀察發動機火焰的特性來預測即將發生的“未啟動”事件。

感應火焰的光譜

該團隊決定使用光學光譜傳感器來獲得控制激波前緣所需的反饋。

光學傳感器不再像壓力傳感器那樣局限于在發動機壁上獲得的信息，可以識別發動機內部和流路內的細微變化。該工具分析光源發出的光量（在本例中為超燃沖壓發動機燃燒器內的反應氣體）以及其他因素，例如，火焰的位置和光譜含量。

博士生埃爾科維茨解釋說：“發動機內火焰發出的光是在燃燒過程中被激發的分子弛豫所致。不同的物種會發出不同能量或顏色的光，從而提供壓力傳感器無法捕捉到的有關發動機狀態的新信息”。

該團隊的風洞演示表明，發動機控制既可以預測又可以自適應，可以在超燃沖壓發動機和沖壓發動機功能之間平穩過渡。事實上，風洞測試是世界上第一個這種類型的雙模式發動機的自適應控制可以通過光學傳感器實現的證明。

面向未來

雖然還有很多工作要做，但光學傳感器可能是戈恩認為將在他有生之年實現的未來的一個組成部分——像飛機一樣往返太空。

雙模超燃沖壓發動機仍然需要某種助推力才能使飛機至少達到馬赫數4。但是，不完全依賴火箭技術會帶來額外的安全性，火箭技術需要攜帶高度易燃的燃料以及大量的化學氧化劑來燃燒燃料。減輕的重量將為乘客和有效載荷提供更多空間。這種一體

化飛機可以像航天飛機一樣滑回地球，甚至可以提供成本效益、安全性和可重復使用性的理想組合。

戈恩表示。雖然商業航天工業已經能夠通過一些可重復使用性來降低成本，但他們還沒有實現類似飛機的操作。新技術可能會讓訪問太空比目前的火箭技術更安全。（航柯）