影片《绝密飞行》中的绝密动力

马文杰

不要把科幻影片中的科技元素都当作纯粹的幻想。有时电影里闪而过的装备，很可能昭示了崭新的技术发展趋势。美国影片“绝秘飞行”就是个生动的例子。从技术角度来看，该片最大的魅力并不在于令人眼花缭乱的电影特技，而在于其中那决不虚妄的喷气推进技术。

影片中的主角“鹰爪”与高智能无人机“EDI”都具有令人眼花缭乱的飞行性能，其中最引人注目的是它们的超机动性和能够达到马赫数4的超声速巡航能力，其中“EDI”还具有垂直起降的能力。具备这种能力的前提是飞行器的气动布局，动力装置、可变翼技术、材料工艺，自动控制系统等各个子系统的设计技术和相互匹配必须达到极高水平。本文结合影片中出现的一些典型飞行过程，对“鹰爪”和“EDI”所采用的动力装置谈谈自己的看法，以飨读者。

飞行器本身能达到的飞行状态和飞行能力，很大程度上决定于它所配备动力装置的能力。影片中“鹰爪”和“EDI”同时拥有优异的低空亚声速机动能力和马赫数4的超声速巡航能力。根据航空推进系统现在所处的发展阶段，目前单一类型的发动机不能够满足在马赫数0～4的较宽范围内保持高效率的工作。由此可以推知，影片中“鹰爪”和“EDI”都采用了一定形式的组合式发动机，以满足它们在不同飞行状态下高效工作的要求。

首先介绍一下什么叫组合式发动机。目前以喷气方式推进的各种类型飞行器(包括航空器和航天器)采用的动力装置多种多样，主要有涡轮喷气和涡轮风扇发动机，压燃冲压发动机、固体和液体火箭发动机。此外还有一些正在研究阶段的新概念发动机，如超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机等。这些发动机都有各自擅长的工作范围和条件，根据飞行器的需要，将这些类型发动机中的两种或两种以上组合在一起，在不同的飞行阶段最大限度的发挥各自的性能优势，这样的动力装置称为组合式的发动机。实际中采用组合发动机的典型例子，就是大家非常熟悉的SR－71黑鸟高空高速侦察机，其最大飞行高度30千米，最大飞行马赫数可达3.5，20世纪60年代末开始投入使用。它的高空高速性能在当时几乎没有哪一种航空器可以与之相比，SR-71从诞生至今从未有被击落的纪录。

SR-71所采用的发动机J58就是一种由涡轮喷气发动机和冲压发动机组成的组合式发动机，它有涡轮喷气发动机和冲压发动机两种工作模式。在初始飞行的较低速阶段，组合发动机以涡轮喷气模式工作，可控调节翼板完全置于流路外侧，气流完全通过涡轮喷气发动机，一直将飞机加速至高亚声速。此时，后方的冲压发动机组件作为加力燃烧室工作，将飞机加速至马赫数大于1的超声速状态。当飞机继续加速至更高的飞行速度时，可控调节翼板完全置于流路内侧，与发动机的进气锥合为一体，涡轮喷气发动机的进气流路完全关闭，随即停止工作。组合发动机按冲压发动机模式工作，一直加速至马赫数3以上。正是由于组合发动机在不同飞行阶段，发挥出了不同发动机模式的工作优势，才造就了SR－71的优异的高空高速性能，使其在航空器发展史上写下光辉的一笔。

我们从现实中的SR－71回到科幻影片中的“鹰爪”和“EDI”。前面已经分析过，它们采用的是一定形式的组合发动机，但究竟是哪些发动机的组合模式呢，下面我们结合影片中提供的信息，进行一下分析，作一个有趣的畅想之旅。

首先让我们从影片中的台词人手，影片中有一小段对“EDI”动力装置的介绍台词，它描述“EDI”采用的是脉冲爆震发动机以及双混式的涡轮冲压发动机。我认为可以理解为“EDI”采用的就是一种由涡轮发动机+冲压发动机+脉冲爆震发动机以一定形式组合而成的组合式发动机，而“鹰爪”采用的也是与“EDI”大致相同的动力装置。这一点可以从影片中“EDI”和“鹰爪”的尾喷口排布形式加以推断和判别。观察影片里“EDI”和“鹰爪”的尾喷口排布，它们均由一个扁形主喷口及围绕在主喷口周围的若干圆形小喷口组成。推测主喷口为涡轮＋冲压组合发动机的喷口，环形排列的圆形小喷口为脉冲爆震发动机的喷口。从SR-71的J58发动机的尾喷口形式不难理解“EDI”和“鹰爪”的主喷口形式。那么为什么推测圆形小喷口为脉冲爆震发动机的喷口呢?回答这个问题之前，我们先来了解一下目前脉冲爆震发动机(PDE)的简单情况。“脉冲爆震”的命名是来源于这种发动机工作所遵循的燃烧过程机制。谈到燃烧过程，可以把自然界中的火焰分为两类，一类是缓燃火焰(也叫正常火焰)，以大多数碳氢燃料和空气的混合物为例，其火焰是按照稳定的、较为缓慢的速度传播，速度约为几十厘米每秒至十几米每秒。目前涡轮喷气发动机，冲压发动机及火箭发动机的燃烧过程都属于缓燃模式。另一类就是爆震火焰，它的传播速度极快，可以达到几千米每秒，而脉冲爆震发动机的工作就是依靠这种爆震燃烧模式，并利用间歇式的脉冲爆震波产生推力的。

那么，在实际的发动机中如何应用和实现这种爆震燃烧模式呢?先来看一个典型的脉冲爆震发动机的结构示意图，它主要由进气道，阀门，点火器、爆震室和喷管组成。简单来说，其工作循环包括进气，燃油喷注，点火，爆震波的起爆，形成及传播，排气过程。从以上循环过程中，我们很自然的想到，在结构相对简单的脉冲爆震发动机中，怎样实现脉冲爆震波的触发起爆是脉冲爆震发动机工作的关键一环。

爆震波的起爆一般有两种方式，直接起爆和间接起爆。直接起爆所需要的点火能量是十分巨大的，对一般的碳氢燃料来说，大约需要10⁵～10⁶焦耳的能量。而普通的涡轮发动机加力燃烧室点火用的高能电嘴的点火能量不过是几至十几焦耳，两者相差太大。因此，目前在脉冲爆震发动机中难以采用直接起爆的方式。自然，间接起爆便是脉冲爆震发动机实际采用的起爆方式(参照图7)。在爆震室中，如果点火能量达不到直接起爆所需的能量时，油气混气也会被点燃，只不过燃烧的方式是通常的缓燃方式，虽然此时不能直接形成爆震，但是只要设法创造出适当的条件，缓燃就会转变为爆震的方式。为了促进缓燃向爆震的转变，主要有物理和化学的方法，物理方法主要是在爆震管中安装强化缓燃向爆震转变过程的装置，例如螺旋丝、堵板和孔板等等。化学方法主要是加入燃料添加剂等。可见，在低点火能量下，实现满足要求的脉冲爆震波的起爆，才是脉冲爆震发动机的奥妙所在。

脉冲爆震发动机的优点主要是热循环效率高，结构简单，不需要压气机和涡轮等旋转部件。正是由于其独到的优势，使得它备受关注，成为很有应用前景的一种全新概念

动力装置。因此，可以理解，影片的创作者将脉冲爆震发动机安装于“EDI”和“鹰爪”两种未来战机上，是对脉冲爆震发动机的美好前景寄予了很大期望的。

目前，虽然脉冲爆震发动机还处于研究阶段，但已经取得了十分令人振奋的成绩。结合脉冲爆震发动机的研究情况，我们可以从影片中“EDI”和“鹰爪”动力装置的工作情形中捕捉到现实脉冲爆震发动机的影子。下面举几个例子来看，66页下图中展示了普惠公司的脉冲爆震发动机的地面试验情形，它包含5个爆震管，呈环形排列，这与影片中“EDI”和“鹰爪”的尾部环形排列的圆形小喷口是十分相似的。

前面已经分析过，影片中“EDI”和“鹰爪”所使用的是涡轮发动机+冲压发动机+脉冲爆震发动机的组合式发动机，但它们具体是怎么组合的呢?为了对这几种发动机的具体组合方式有一个直观的感性认识，这里我们再简单介绍一种将脉冲爆震发动机与其它类型动力装置组合使用的方案实例。中是一种由脉冲爆震发动机与涡扇发动机结合而成的混合式脉冲爆震发动机的概念。这种混合式脉冲爆震发动机以涡轮风扇发动机为基础，在外涵道中环形排列安装一定数量的脉冲爆震管，具备了涡扇发动机和脉冲爆震发动机两者的优势，是一种很有前景的应用概念。这种混合式脉冲爆震发动机概念的发动机尾喷口的布局形式，是由一个主喷口以及环状排列在其周围的圆形小喷口所组成，这与“EDI”和“鹰爪”的尾喷口布局是基本相同的，只不过“EDI”和“鹰爪”的动力装置中还包含了一种冲压发动机而已。

此外，资料显示，美国空军实验室于2004年进行了世界上第一架以脉冲爆震发动机为动力的有人驾驶飞机N90EZ的地面声学和振动试验。

“EDI”和“鹰爪”虽然是科幻影片中的未来战机，但我们还是可以从它们身上找到未来推进技术的影子。“EDI”和“鹰爪”战机作为科幻影片“绝秘飞行”的主角，为我们展现了采用先进组合动力装置的未来飞行器可能呈现的梦幻般的飞行画面。当然，以严谨的技术理论来衡量，这部影片还存在些许不足，但是不可否认，影片为我们了解先进航空动力装置提供了一个平台。更为可贵的是，影片的创作者，把现实中人们寄予厚望的涡轮冲压组合发动机和脉冲爆震发动机集中展现在“EDI”和“鹰爪”战机身上，算是一个小小的技术亮点。

责任编辑伟翼