維吉尼亞大學的研究人員正在利用引擎控制和感測技術的創新，探索高超音速噴射機用於太空旅行的潛力。這項工作得到了美國國家航空暨太空總署（NASA）的支持，目的是透過自適應控制系統和光學感測器來提高高超音速噴射機的性能，從而有可能開發出更安全、更有效率、功能類似飛機的太空飛行器。

這是藝術家描繪的從助推火箭分離後自由飛行的Hyper-X 研究飛行器在擾流噴射發動機驅動下的情景。超音速噴射機的新研究可能會改變太空旅行，使噴射發動機更加可靠和高效，從而製造出類似飛機的太空船。資料來源：美國國家航空暨太空總署

如果未來的太空旅行不像Space-X 的火箭星際飛船，而更像美國國家航空暨太空總署的”Hyper-X”高超音速噴射機（20 年前的今年，它的飛行速度超過了之前或之後的任何飛機），那會怎麼樣呢？

2004 年，美國國家航空暨太空總署的最後一次X-43A 無人駕駛原型機測試是噴射機最新發展時代的一個里程碑–從沖壓式噴射機到速度更快、效率更高的擾頻式噴射機的飛躍。同年11 月進行的最後一次測試達到了先前只有火箭才能達到的世界紀錄速度：10馬赫。這個速度相當於音速的10 倍。

美國國家航空暨太空總署（NASA）從試驗中獲得了大量有用的數據，六年後，空軍也對X-51 Waverider 進行了類似的試驗，最終原型機墜入大海。

雖然高超音速概念驗證取得了成功，但該技術遠未投入使用。挑戰在於實現引擎控制，因為該技術是基於幾十年前的感測器方法。

2004 年11 月16 日，NASA 的B-52B 運載火箭巡航至太平洋上空的試驗場，載著第三個也是最後一個X-43A 運載火箭，與飛馬座火箭相連。圖片來源：NASA / Carla Thomas

不過，本月為X 飛機系列的潛在後繼者帶來了一些希望。作為美國國家航空暨太空總署（NASA）資助的一項新研究的一部分，維吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員在六月刊《航空航天科學與技術》（Aerospace Science and Technology）雜誌上發表的數據首次表明，超音速燃燒噴射引擎中的氣流可由光學感測器控制。這項發現可能會提高高超音速噴射機的穩定效率。

此外，研究人員還實現了對擾流噴射發動機的自適應控制，這在高超音速推進領域也是首次。自適應引擎控制系統能對動態變化做出反應，使系統的整體性能保持在最佳狀態。

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20 世紀60 年代以來，我們國家的航空航天優先事項之一就是製造單級入軌飛機，像傳統飛機一樣從水平起飛飛入太空，然後像傳統飛機一樣在地面降落。它有兩級，可以垂直發射和著陸。但為了優化安全性、便利性和可重複使用性，航空航太界希望建造更像是波音737這樣的太空船。 “

博士生馬克斯-切爾恩（Max Chern）仔細觀察風洞裝置，弗吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員在該裝置上演示了利用光學感測器控制雙模式噴氣發動機的可能性。圖片來源：維吉尼亞大學工程學院文德-惠特曼（Wende Whitman）

戈恩和他的共同研究員、維吉尼亞大學工程系副教授克洛伊-戴迪克認為，光學感測器可以成為控制方程式的重要組成部分。

戈恩說：”我們認為，如果飛機以5 馬赫或更高的高超音速飛行，那麼最好是在接近光速而不是音速的地方嵌入感測器，這似乎是合乎邏輯的。”

團隊的其他成員包括博士生馬克斯-切恩（Max Chern）（他是論文的第一作者）、前研究生安德魯-萬切克（Andrew Wanchek）、博士生勞裡-埃爾科維茨（Laurie Elkowitz）和維吉尼亞大學資深科學家羅伯特-羅克韋爾（Robert Rockwell）。這項工作得到了普渡大學領導的美國太空總署ULI基金的支持。

長期以來，美國國家航空暨太空總署（NASA）一直在努力防止噴射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。該名稱源自於一種被稱為超音速風洞的專門測試設施，”啟動”意味著風已達到所需的超音速條件。

維吉尼亞大學擁有多個超音速風洞，其中包括維吉尼亞大學超音速燃燒設施，該設施可以模擬以五倍音速飛行的高超音速飛行器的引擎工況。

Dedic 說：”我們可以在測試條件下運行數小時，這樣就可以在逼真的發動機幾何形狀上試驗新的流量感知器和控制方法。”scramjets”是超音速燃燒沖壓式噴氣發動機的簡稱，它建立在已普遍使用多年的沖壓式噴射發動機技術之上。

這張來自最初Hyper-X 試驗的計算流體力學圖像顯示了引擎以7 馬赫的速度運行。圖片來源：美國國家航空暨太空總署

沖壓式噴射發動機主要是利用飛機的前進運動將空氣”衝入”發動機，從而產生燃燒燃料所需的溫度和壓力。它們的工作範圍約為3 至6 馬赫。當飛機前方的進氣口變窄時，沖壓式噴射發動機的內部氣流速度會減慢到亞音速。但飛機本身卻不會。

不過，Scramjets 有一點不同。雖然它們也是”空氣噴射”發動機，並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，以達到高超音速。

戈恩說：”如果高超音速發動機內部發生了什麼情況，突然產生了亞音速條件，那就是未啟動。推力會突然減小，此時可能很難重新啟動進氣口。”

目前，與沖壓式噴射引擎一樣，scramjet 引擎也需要一個升壓裝置，才能使其達到能夠吸入足夠氧氣的速度。這可能包括安裝在艦載機底部的裝置以及火箭助推器。

最新的創新是雙模式沖壓噴射燃燒器，這也是維吉尼亞大學領導的計畫所測試的引擎類型。這種雙引擎在較低馬赫數時以沖壓噴射模式啟動，然後在速度超過5 馬赫時轉為在燃燒室中接收全超音速氣流。

防止引擎在過渡過程中發生非啟動是至關重要的。

維吉尼亞大學教授兼航空航天研究實驗室主任克里斯托弗-戈因（Christopher Goyne）和副教授克洛伊-戴迪克（Chloe Dedic）。資料來源：維吉尼亞大學工程學院Wende Whitman

來風與進氣道壁相互作用，形成一系列衝擊波，稱為”衝擊波束”。傳統上，這些衝擊波的前緣會對飛機的完整性造成破壞，因此一直由壓力感測器控制。例如，機器可以透過重新定位衝擊波的位置來進行調整。

但是，如果飛行幹擾改變了中空動態，避震器前 緣的位置就會迅速改變。減震器組可能會對進氣口增壓，從而為非啟動創造條件。

因此，”如果你以音速進行感測，而引擎過程的速度卻比音速還快，沒有太多的反應時間，”Goyne 說。

他和 想知道，是否可以透過觀察引擎火焰的特性來預測即將發生的非啟動。

研究團隊決定使用光學發射光譜感測器來提供控制減震器前緣所需的回饋。 

光學感測器不再像壓力感測器那樣僅限於在引擎壁上獲取信息，它可以識別引擎內部和流道內的細微變化。此工具可分析光源（在本例中為噴射燃燒器內的反應氣體）所發出的光量以及火焰位置和光譜含量等其他因素。

  博士生之一埃爾科維茨解釋說：”發動機內火焰發出的光是由於在燃燒過程中被激發的分子物種弛豫所致。”不同的物種會發出不同能量或顏色的光，從而提供壓力感知器無法捕捉到的有關引擎狀態的新資訊”。

弗吉尼亞大學工程系機械與航空航天專業的在讀博士生勞裡-埃爾科維茨（Laurie Elkowitz）和馬克斯-陳（Max Chern）是該團隊中具有影響力的成員。資料來源：維吉尼亞大學工程學Wende Whitman

研究小組的風洞演示表明，引擎控制既可以預測，也可以自適應，可以在scramjet和ramjet功能之間平穩過渡。

事實上，風洞試驗在世界上首次證明，利用光學感測器可以實現這類雙功能引擎的自適應控制。

第一作者Chern 說：”我們非常高興能夠展示光學感測器在未來高超音速飛行器控制中可能發揮的作用。我們將繼續測試感測器的配置，努力開發出一種能在飛行環境中優化封裝體積和重量的原型機。

雖然還有很多工作要做，但光學感測器可能是戈恩認為在他有生之年就能實現的未來的一個組成部分：像飛機一樣往返太空。

雙模式擾流噴射機仍然需要某種助推裝置，才能使飛機達到至少4 馬赫的速度。但火箭技術需要攜帶高度易燃的燃料和大量的化學氧化劑來燃燒燃料，而雙模式擾流噴射引擎則不需要完全依賴火箭技術，因此具有額外的安全性。

重量的減輕將為乘客和有效載荷提供更大的空間。

這種一體化飛機可以像太空梭一樣滑翔返回地球，甚至可以實現成本效益、安全性和可重複使用性的理想組合。

「我認為這是可能的，是的，」戈恩說。 “雖然商業航太產業已經透過一些可重複使用性降低了成本，但他們還沒有掌握類似飛機的操作。我們的發現有可能在Hyper-X的傳奇歷史基礎上更進一步，使其進入太空比目前的火箭技術更安全。

編譯自/Xxxx scitechdaily.