如果未来的太空旅行不再像 Space-X 基于火箭的星际飞船，而是更像 NASA 的“Hyper-X”(20 年前的飞行速度比之前或之后的任何其他飞机都快的高超音速喷气式飞机)，那会怎样?

2004 年，NASA 最后一次 X-43A 无人原型机测试是喷气发动机发展新时代的一个里程碑——从冲压式喷气发动机飞跃到速度更快、效率更高的超燃冲压式喷气发动机。同年 11 月进行的最后一次测试创下了此前只有火箭才能达到的世界纪录速度：10 马赫。这一速度相当于音速的 10 倍。

宇航局从这些测试中收集了大量有用的数据，六年后，在原型机坠入海洋之前，空军对 X-51 乘波者进行了类似的测试，也收集了大量有用的数据。

尽管超音速概念验证成功，但该技术还远未投入使用。挑战在于实现发动机控制，因为该技术基于数十年前的传感器方法。

然而，本月为 X-plane 系列的潜在继任者带来了一些希望。

作为 NASA 资助的一项新研究的一部分，弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员在《航空科学与技术》杂志 6 月刊上发表了数据，首次表明超音速 燃烧喷气发动机中的气流可以通过光学传感器控制。这一发现可能会使超音速喷气式飞机的稳定性更有效。

此外，研究人员还实现了超音速冲压发动机的自适应控制，这在高超音速推进领域又创下了先例。自适应发动机控制系统可响应动态变化，使系统的整体性能保持最佳状态。

进行此项研究的弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任克里斯托弗·戈因 (Christopher Goyne)教授说：“自 1960 年代以来，我们国家航空航天工作的 重点之一就是建造单级入轨飞机，这种飞机可以像传统飞机一样从水平起飞飞入太空，并像传统飞机一样降落在地面上。”

“目前最先进的飞船是 SpaceX 的星际飞船。它有两个阶段，垂直发射和降落。但为了优化安全性、便利性和可重复使用性，航空航天界希望建造更像 737 的东西。”

Goyne 和他的合作者、弗吉尼亚大学工程系副教授 Chloe Dedic认为，光学传感器可能是控制方程的重要组成部分。

戈因说：“如果一架飞机以 5 马赫或更高的高超音速飞行，那么嵌入工作速度更接近光速而非音速的传感器可能是更明智的选择，这对我们来说似乎是合乎逻辑的。”

该团队的其他成员包括博士生 Max Chern(论文第一作者)、前研究生 Andrew Wanchek、博士生 Laurie Elkowitz 和 UVA 高级科学家 Robert Rockwell。该研究由美国宇航局 ULI 资助，由普渡大学和首席研究员 T. Pourpoint 领导。

停止“不开始”以保持控制

美国宇航局长期以来一直在努力防止超燃冲压发动机中可能发生的“不启动”现象。该术语表示气流突然变化。该名称源于一种称为超音速风洞的专门测试设施，其中“启动”表示风已达到所需的超音速条件。

UVA 拥有多个超音速风洞，包括 UVA 超音速燃烧设施，它可以模拟以五倍音速行驶的高超音速飞行器的发动机状况。

Dedic 表示：“我们可以连续数小时运行测试条件，让我们能够在真实的发动机几何结构上试验新的流量传感器和控制方法。

戈因解释说，“超音速燃烧冲压发动机”是超音速燃烧冲压发动机的简称，它以多年来普遍使用的冲压发动机技术为基础。

冲压式喷气发动机本质上是利用飞机的向前运动将空气“冲压”到发动机中，以产生燃烧燃料所需的温度和压力。它们的运行速度范围约为 3 马赫至 6 马赫。随着飞机前部的进气口变窄，冲压式内燃机内部的空气速度会减慢到亚音速。但飞机本身不会减速。

不过，超燃冲压发动机略有不同。虽然它们也是“吸气式”发动机，基本配置也相同，但它们需要保持发动机中超高速气流才能达到高超音速。

“如果高超音速发动机内部发生什么事情，突然出现亚音速条件，就会无法启动，”戈因说。“推力会突然减小，此时重新启动进气口可能会很困难。”

测试双模超燃冲压发动机

目前，与冲压式喷气发动机一样，超燃冲压发动机也需要加速，以使其达到能够吸入足够氧气运行的速度。这可能包括安装在运载机底部的载具以及火箭助推器。

最新的创新是双模式超音速冲压发动机燃烧室，这是 UVA 牵头的项目测试的发动机类型。双发动机在较低马赫数时以冲压发动机模式启动，然后切换到在燃烧室内接收全超音速气流，速度超过 5 马赫。

在发动机进行转换时防止无法启动至关重要。

迎面而来的风与进气道壁相互作用，形成一系列激波，即所谓的“激波串”。传统上，这些激波的前缘由压力传感器控制，这些激波可能会破坏飞机的完整性。例如，机器可以通过重新定位激波串的位置来进行调整。

但是，如果飞行扰动改变了空中动态，激波序列前缘的位置可能会迅速改变。激波序列会对进气口施加压力，从而产生无法启动的条件。

因此，“如果你以声速进行感知，但发动机的运转速度却比声速还快，那么你就没有太多的反应时间，”戈伊恩说。

他和他的同事想知道是否可以通过观察发动机火焰的特性来预测即将发生的无法启动的情况。

感知火焰光谱

该团队决定使用光发射光谱传感器来获取控制冲击波序列前缘所需的反馈。

光学传感器不再像压力传感器那样局限于发动机壁上获取的信息，而是可以识别发动机内部和流道内的细微变化。该工具分析光源(在本例中为超燃冲压发动机燃烧室内的反应气体)发出的光量以及其他因素，如火焰的位置和光谱内容。

“发动机内火焰发出的光是由于燃烧过程中激发的分子物种的松弛所致，”博士生之一埃尔科维茨解释说。“不同的物种会发出不同能量或颜色的光，提供有关发动机状态的新信息，而这些信息是压力传感器无法捕捉到的。”

该团队的风洞演示表明，发动机控制既具有预测性又具有自适应性，可以在超燃冲压发动机和冲压发动机功能之间平稳过渡。

事实上，风洞试验是世界上第一个证明利用光学传感器可以实现此类双功能发动机的自适应控制的试验。

“我们非常高兴能够展示光学传感器在未来高超音速飞行器控制中可能发挥的作用，”第一作者 Chern 说道。“我们将继续测试传感器配置，致力于开发一款能够优化飞行环境包装体积和重量的原型。”