如果未來的太空旅行不再像 Space-X 基于火箭的星際飛船，而是更像 NASA 的“Hyper-X”(20 年前的飛行速度比之前或之后的任何其他飛機都快的高超音速噴氣式飛機)，那會怎樣?

2004 年，NASA 最后一次 X-43A 無人原型機測試是噴氣發動機發展新時代的一個里程碑——從沖壓式噴氣發動機飛躍到速度更快、效率更高的超燃沖壓式噴氣發動機。同年 11 月進行的最后一次測試創下了此前只有火箭才能達到的世界紀錄速度：10 馬赫。這一速度相當于音速的 10 倍。

宇航局從這些測試中收集了大量有用的數據，六年后，在原型機墜入海洋之前，空軍對 X-51 乘波者進行了類似的測試，也收集了大量有用的數據。

盡管超音速概念驗證成功，但該技術還遠未投入使用。挑戰在于實現發動機控制，因為該技術基于數十年前的傳感器方法。

然而，本月為 X-plane 系列的潛在繼任者帶來了一些希望。

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《航空科學與技術》雜志 6 月刊上發表了數據，首次表明超音速 燃燒噴氣發動機中的氣流可以通過光學傳感器控制。這一發現可能會使超音速噴氣式飛機的穩定性更有效。

此外，研究人員還實現了超音速沖壓發動機的自適應控制，這在高超音速推進領域又創下了先例。自適應發動機控制系統可響應動態變化，使系統的整體性能保持最佳狀態。

進行此項研究的弗吉尼亞大學航空航天研究實驗室主任克里斯托弗·戈因 (Christopher Goyne)教授說：“自 1960 年代以來，我們國家航空航天工作的 重點之一就是建造單級入軌飛機，這種飛機可以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。”

“目前最先進的飛船是 SpaceX 的星際飛船。它有兩個階段，垂直發射和降落。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 737 的東西。”

Goyne 和他的合作者、弗吉尼亞大學工程系副教授 Chloe Dedic認為，光學傳感器可能是控制方程的重要組成部分。

戈因說：“如果一架飛機以 5 馬赫或更高的高超音速飛行，那么嵌入工作速度更接近光速而非音速的傳感器可能是更明智的選擇，這對我們來說似乎是合乎邏輯的。”

該團隊的其他成員包括博士生 Max Chern(論文第一作者)、前研究生 Andrew Wanchek、博士生 Laurie Elkowitz 和 UVA 高級科學家 Robert Rockwell。該研究由美國宇航局 ULI 資助，由普渡大學和首席研究員 T. Pourpoint 領導。

停止“不開始”以保持控制

美國宇航局長期以來一直在努力防止超燃沖壓發動機中可能發生的“不啟動”現象。該術語表示氣流突然變化。該名稱源于一種稱為超音速風洞的專門測試設施，其中“啟動”表示風已達到所需的超音速條件。

UVA 擁有多個超音速風洞，包括 UVA 超音速燃燒設施，它可以模擬以五倍音速行駛的高超音速飛行器的發動機狀況。

Dedic 表示：“我們可以連續數小時運行測試條件，讓我們能夠在真實的發動機幾何結構上試驗新的流量傳感器和控制方法。

戈因解釋說，“超音速燃燒沖壓發動機”是超音速燃燒沖壓發動機的簡稱，它以多年來普遍使用的沖壓發動機技術為基礎。

沖壓式噴氣發動機本質上是利用飛機的向前運動將空氣“沖壓”到發動機中，以產生燃燒燃料所需的溫度和壓力。它們的運行速度范圍約為 3 馬赫至 6 馬赫。隨著飛機前部的進氣口變窄，沖壓式內燃機內部的空氣速度會減慢到亞音速。但飛機本身不會減速。

不過，超燃沖壓發動機略有不同。雖然它們也是“吸氣式”發動機，基本配置也相同，但它們需要保持發動機中超高速氣流才能達到高超音速。

“如果高超音速發動機內部發生什么事情，突然出現亞音速條件，就會無法啟動，”戈因說。“推力會突然減小，此時重新啟動進氣口可能會很困難。”

測試雙模超燃沖壓發動機

目前，與沖壓式噴氣發動機一樣，超燃沖壓發動機也需要加速，以使其達到能夠吸入足夠氧氣運行的速度。這可能包括安裝在運載機底部的載具以及火箭助推器。

最新的創新是雙模式超音速沖壓發動機燃燒室，這是 UVA 牽頭的項目測試的發動機類型。雙發動機在較低馬赫數時以沖壓發動機模式啟動，然后切換到在燃燒室內接收全超音速氣流，速度超過 5 馬赫。

在發動機進行轉換時防止無法啟動至關重要。

迎面而來的風與進氣道壁相互作用，形成一系列激波，即所謂的“激波串”。傳統上，這些激波的前緣由壓力傳感器控制，這些激波可能會破壞飛機的完整性。例如，機器可以通過重新定位激波串的位置來進行調整。

但是，如果飛行擾動改變了空中動態，激波序列前緣的位置可能會迅速改變。激波序列會對進氣口施加壓力，從而產生無法啟動的條件。

因此，“如果你以聲速進行感知，但發動機的運轉速度卻比聲速還快，那么你就沒有太多的反應時間，”戈伊恩說。

他和他的同事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無法啟動的情況。

感知火焰光譜

該團隊決定使用光發射光譜傳感器來獲取控制沖擊波序列前緣所需的反饋。

光學傳感器不再像壓力傳感器那樣局限于發動機壁上獲取的信息，而是可以識別發動機內部和流道內的細微變化。該工具分析光源(在本例中為超燃沖壓發動機燃燒室內的反應氣體)發出的光量以及其他因素，如火焰的位置和光譜內容。

“發動機內火焰發出的光是由于燃燒過程中激發的分子物種的松弛所致，”博士生之一埃爾科維茨解釋說。“不同的物種會發出不同能量或顏色的光，提供有關發動機狀態的新信息，而這些信息是壓力傳感器無法捕捉到的。”

該團隊的風洞演示表明，發動機控制既具有預測性又具有自適應性，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，風洞試驗是世界上第一個證明利用光學傳感器可以實現此類雙功能發動機的自適應控制的試驗。

“我們非常高興能夠展示光學傳感器在未來高超音速飛行器控制中可能發揮的作用，”第一作者 Chern 說道。“我們將繼續測試傳感器配置，致力于開發一款能夠優化飛行環境包裝體積和重量的原型。”