今年9月22日，我国重要的航天科研单位西安航天动力研究所在其微信公众号上发表了一篇文章。

从行文和结构来看，这篇题为《十年艰难求索日 一飞冲天震九霄我所研制的某组合动力发动机首飞成功》的文章，就是一篇普普通通的“官八股”，和国内科研领域通报研究成果的文章并无不同。

但是从内容上看，这篇文章就让人有一种“石破天惊”的感觉。

首先，标题上的“组合动力”这个词就弥漫着高能的气息。

根据文章内容，“本次试验得到集团公司、一院、六院等各级领导关注与支持”，“多位领导亲临现场”。显然，这个“组合动力”非常重要，上上下下都对此很重视。

而在结果方面，文章语气中的乐观程度达到了罕见的程度：“本次飞行试验完成了所有考核项目，发动机各项性能均超出地面试验结果和预期水平，试验取得超圆满成功。”

关注国内航天领域、看“官八股”看得多的人都知道，“超圆满成功”这种词是极其少见的(甚至可能从没有过)。

更罕见的是，项目总师张蒙正还为此赋诗《贺首飞》一首：

东方欲明贺兰横，无边戈壁起东风。

一道彩虹拔地起，组合动力长空鸣。

启动顺利流道畅，点火迅速室压高。

模转巧调增益大，伸缩自由结构强。

虽然这首诗的水平不高，并没有脱离“打油诗”的范畴，但是一个在工程领域长期耕耘的理工男突然间大发诗性，足见其激动，也从侧面印证，这次测试成功的意义绝对不一般。

那么，“组合动力”到底是什么?为什么能让国内顶尖的技术专家都如此激动?

顾名思义，组合动力就是由不同发动机系统通常是涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机组合在一起而成的动力系统。

要了解它们为什么要组合在一起，首先要了解其各自的作用。

我们抬头看向夜空，广阔深邃的星空仿佛浑然一体，但从人类飞行的角度看，低空和高空是不一样的。高度越高，地球引力能留住的氧气就越少。

冲压发动机、涡轮发动机、火箭发动机乃至汽车内燃机等，都属于热机，热机都是通过压缩、点火、膨胀做功的，必然有一个燃烧的过程。而燃烧是一种是可燃物(燃料)与氧化剂产生的化学反应，通常伴有火焰、发光和(或)发烟的现象。燃烧必须具备3个要素：一定浓度的可燃物、一定的含氧量、一定的点火能量。

因此，在低空氧气充足的地方，飞行器只需要携带燃料，然后利用大气中的氧气在发动机内点火做工。但到了高空氧气减少，这种发动机的功率会逐渐下降。

理论上说，到离地高度100千米的卡门线是大气层和太空的分界线。实际上，早在此之前发动机就喘不过气来了。一般来说，民航客机飞行高度在10千米左右，部分战斗机升限可以达到20千米，采用特殊发动机往死里加压的特殊飞机可以飞到30千米，但再高也不行了。

要飞到这个高度，飞行器不仅需要携带燃料，还要自己带着氧化剂，火箭发动机就是这样子。

多带一份氧化剂会让火箭发动机的效率变低。同时，和涡轮发动机只是为了推动飞机产生升力不同，火箭发动机是要直接克服重力冲出大气层的，所以在减重等方面要做到极致，在强度方面就顾不了那么多了。所以即便像马斯克的猎鹰九号，也只是设想回收复用10次，而飞机发动机往往要反复飞几百次，寿命一般有数千小时。

所以在大气层内飞行，能不用火箭发动机还是不用火箭发动机的。

冲压发动机和涡轮发动机类似，也是一种大气层内使用的发动机，但它的使用场景和普通的涡轮发动机又不同。当然，如果一样的话，也没什么组合的必要了。

目前的组合动力，就是以上3种发动机的组合。现在主要有2种方案，分别是涡轮发动机+冲压发动机和火箭发动机+冲压发动机，前者被称为“涡轮基组合动力发动机”(TBCC)，后者则是“火箭基组合动力发动机”(RBCC)。

首先给新来的观众科普一下不同发动机的原理。

首先，就如前面说到的，3种发动机都是热机，遵循布雷敦循环原理。存在绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却这4个过程组成，经过的气流都要经过压缩、点火、膨胀的过程。

在设计上，发动机大体结构都是气体压缩机、燃烧室和与压缩机同轴的涡轮这3个部分。

以最基本的涡轮喷气发动机为例子。

发动机

上面这张图就是一台典型的涡轮喷气发动机内部结构，图中，空气从左边进气道进入，流经压缩机、燃烧室、涡轮，从右边的喷口喷出。

在这个过程中，第1个环节压气机的作用有2个：吸入气流和压缩气流。吸入气流的原理很简单，就像风扇一样。而压缩的原理则比较复杂。

实际上，每个压缩机中有好几台“风扇”一样的结构，比如图中这一台。

发动机

这些“风扇”中，有的能转，有的不能转。能转的被称为“转子”，不能转的被称为“静子”。气流经过时，高速旋转的转子“扇叶”对气体作功，使气体的速度、压力都提高，随后气流一头撞在静子上，一方面压力再度提高，另一方面，气流会按一定的方向和速度向后喷出。

这样，1个转子和1个静子构成了压缩机的1“级”。实际上，压缩机可以有许多级，级数越多，就可以把气流挤压得越厉害。

在燃烧室内，经过压缩的高温气流和气化或雾化喷进燃烧室的燃料混合，由点火装置点燃，燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后边膨胀边作功，作功后的气体通过喷口排向大气，并向大气放热。

在进过喷口前，气流还会经过涡轮机，推动涡轮机旋转。涡轮机和前面的压缩机同轴，旋转的同时就带动了压缩机旋转。所以气流的能量有部分被用在后续气流的压缩上了。

火箭发动机的原理和结构实际上和涡轮发动机一样。

发动机

上图中是最早的液体火箭发动机，其中，高压气体被注入燃料和氧化剂的贮箱中，起到了压缩的作用，燃烧室则是将燃料和氧化剂点燃，膨胀的气体从喷嘴喷出做功。

后来的火箭更加复杂，开始使用泵来输送燃料和氧化剂，以更好地控制压力和输送速度。这时候，火箭发动机也像涡轮发动机一样多了一个和泵同轴的涡轮结构，用部分燃烧气体做的功来推动泵工作。

发动机

事实上，现在的火箭发动机也有涡轮，也是喷气推动，因此实际上也是涡轮发动机的一种。只不过从惯例上，我们把飞机发动机称为涡轮发动机，火箭发动机则单独命名。

两者不同的地方，除了前面说的一个带有氧化剂，一个从空气中“吸氧”之外，就是涡轮发动机目的是推动飞机前进，利用升力上升，所以是横过来的;而火箭的目标就是最快速度突破大气层，所以发动机是竖着的，提供垂直向下的推力。

理论上说，这2种发动机基本上已经覆盖了人类在天空飞行会遇到的所有场景。不过，之后人们发现了一种特殊的场景。

空气高速运动时，会产生一种冲压效应。它在被减速的情况下，会将高速运动时的动压力转化为静压力，这样，就算不用压缩机，只要有合适的减速设计，空气自己就会挤压出足够的压力。

于是冲压发动机应运而生。它用一个让空气自然压缩的锥形机构取代了压缩机，没了压缩机自然也不需要涡轮，后面就只剩一个燃烧室，结构简单得多。

发动机

由于没有压气机，冲压发动机的结构简单、重量小、迎风面积小，通常可以推动飞行器飞得更快

但是，因为它靠的是高速空气的冲压效应，所以在低速环境下效率很低，在静止情况下完全无法启动，需要辅助动力获得速度。

因此，过去冲压发动机最适宜的场景就是导弹。我们常常可以看到电视画面中，导弹从高速飞行的飞机中发射出去，然后以比飞机快得多的速度往前冲的场景。可以说，冲压发动机就是为高速飞行而生的发动机。

不过，这次试验的不是普通冲压发动机，而是“超燃冲压发动机”。别看只差2个字，但是要迈过这2个字的门槛，技术难度难如登天，而在实际意义上，这种技术的应用也可以说是改变世界。

“超燃”指的是超音速燃气，在超燃冲压发动机概念出现后，传统的冲压发动机就被成为亚燃冲压发动机。

此前的发动机，无论是涡轮的还是冲压的，它们都面对着一个问题：燃烧室内的空气流动不能太快。空气流动快了，燃料点燃就会非常困难。可以想象一下，要在台风中点燃一根蜡烛，还要能保持稳定燃烧，这基本上是不可能的事。

因此，过去的发动机都会通过压缩机和合适的管道设计，将进入燃烧室之前的空气减速至亚音速。但这又带来了巨大的问题，空气减速压缩得越厉害，它的温度就越高。要让高超音速气流骤减到亚音速，进气道可能要承受5000度以上的高温，发动机任何一个部位都受不了。

其次，发动机燃烧室前后的温度差是决定发动机效率的关键因素，涡前温度是定死的(每种发动机不同，受制于涡轮材料)。当马赫数不断提高时，燃烧室前后的温度越接近，能加入的热量就越小，当能加入的热量降低到仅能用于克服各种损失，发动机的推力就降到0了。

这就限制了飞行器的速度。

而流过超燃冲压发动机的气流速度始终为超声速，能够极大提高飞行器的速度。在2004年11月的试验飞行中，美国X-43飞行器达到了9.64马赫(10240.84公里/小时)的超高极速，创造了大气层内吸气式飞行器的飞行速度纪录，保持至今。

无须避讳，这一技术最大的意义是在军事上的。目前的弹道导弹都是发射升空后，在没有阻力的太空中加速，然后再入大气层，之后只能在滑翔过程中进行小幅机动，其轨道很容易被计算和拦截。

而如果一个飞行器，不仅能够在大气层内加速到极高的速度，而且还有充足持续的动力进行机动，那么这基本上是现有技术乃至未来很长一段时间的技术都无法拦截的。

此外，它还可以替代火箭发动机，成为未来空天飞机的最佳动力之一。

然而，要研制这种发动机，难度非常高。

发动机

要在这样的气流中内完成压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率的掺混、点火并燃烧是十分困难的，燃料与空气的掺混好坏直接影响发动机的长度和热负荷。

因此，应对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多方面的因素进行综合性理论和试验研究。

现在能够说初步掌握这种技术的只有中国、美国。从试验数据看，根据网传去年中国科学院力学研究所传出的消息，范学军团队研制的超燃冲压发动机在一次地面试验中，已实现连续600秒运行时间的成绩，打破了美国此前X-51额210秒世界纪录。

不过，X-51的纪录是在实际飞行中创造的，而我国试验是在风洞的理想条件中进行的，谁优谁劣还不好说。

而其他国家，近期有公开试验的只有印度。而印度今年9月大张旗鼓宣扬的试验成绩是……20秒。

超燃冲压发动机很难，将不同发动机组合在一起更难。无论是火箭发动机还是涡轮发动机，要和超燃冲压发动机结合，气流都要在发动机内不停地加速减速、加压减压、点燃冷却，无论是设计还是材料，都有许多难关。

到目前为止美国在这方面的方案洛克希德·马丁的SR-72高超音速侦察机，在2年前放出“速度6马赫、2020年试飞”的卫星后，再也没有了下文。

而我国早已公开了早期超燃冲压发动机风洞模型，说明我们至少已经超出了原始的试验阶段，外国学去也没什么。即便如此，这个外形和进气道技术上已经很超前了。

发动机

而这次试验成功，说明我国在这方面又迈出了很大一步。这不禁让人想起马伟明院士在研发出直流舰船综合电力系统后，接受采访时说的那句话：

发动机