高超音速飛彈的推進系統（Propulsion System）
前文介紹「高超音速飛彈」的種類分為：「彈道飛彈」（ballistic missiles）、「巡弋飛彈」（cruise missiles）、「滑翔飛彈」（glide missiles）。上述三類型高超音速飛彈的推進系統主要分為：「火箭引擎」（rocket engine）與「吸氣式引擎」（air breathing engine）– 前者自帶氧化劑、後者則是靠吸入空氣；兩者均是利用燃料與氧化劑（或加溫加壓後的空氣）進行燃燒、爆炸、噴射，產生向前的推進力（propulsion）。
從下圖可以看出，「吸氣式引擎」（air breathing engine）依照適用的飛行速度（馬赫數，Mach Number）可細分為：「噴射引擎」（jet engine）、「沖壓引擎」（Ramjet）、「超音速燃燒沖壓引擎」（Scramjet）；只有「噴射引擎」（jet engine）與「火箭引擎」（rocket engine）是可以從M = 0起飛或發射；「沖壓引擎」（Ramjet）與「超音速燃燒沖壓引擎」（Scramjet）只能當載運飛行器飛行達到一定馬赫數後，再從空中發射。
來源：作者提供。
火箭引擎（Rocket Engine）
CASE在2022年3月8日刊出的「漫談太空旅行」（五）1一文中，其中有一節提到太空火箭家族 （參見下圖）。同文在阿提米斯（Artemis）使用的火箭那節也介紹了Starship 採用新研發的「猛禽引擎」（Raptor），這款火箭引擎的燃料是採用甲烷（CH4），氧化劑則是用低溫液態氧。關於火箭引擎的燃料（或稱推進劑，propellant）有使用液態燃料、固態燃料、或固態/液態混合燃料 – 即使是固態燃料，也有單一固態燃料、或多種固態燃料的混合推進劑。至於不同的液態燃料所使用的氧化劑也不一樣，除了低溫液態氧，也有使用「四氧化二氮」（N2O4）。
來源：英國國家廣播公司（BBC）公布的圖片1
火箭引擎使用液態燃料的「進料系統」（Engine Feed System）分類為：「壓力罐」（Pressure-fed）與「壓力泵」（Pump-fed）兩類 – 前者適用於推力較小的火箭引擎，後者則適用於推力較大的火箭引擎 （參見下圖）。如果對於火箭引擎有興趣的讀者，可以參考附註二。
來源：火箭引擎使用液態燃料的進料系統2
「吸氣式引擎」（Air Breathing Engine）
CASE在2022年5月17日刊出的「波音787夢幻客機的引擎」（GEnX）3一文中，其中有一節提到噴射引擎 （Jet Engine）。
來源：波音公布GEnX引擎的剖面圖3
上圖所示的這款GEnX引擎屬於「吸氣式引擎」（air breathing engine）中的「渦輪噴射引擎」（Turbojet）– 為了省油的考量，波音787客機是以「亞音速」（subsonic）速度飛行。超音速飛行器所使用的「吸氣式引擎」又稱之為「沖壓引擎」（Ramjet）；高超音速飛行器所使用的「吸氣式引擎」則稱之為「超音速燃燒沖壓引擎」（Supersonic Combustion Ramjet, Scramjet）。如果對於Ramjet及Scramjet引擎有興趣的讀者，可以參考附註四。
噴射引擎中壓縮器及渦輪的主要用途是將吸入的空氣，在進入燃燒室前增溫加壓 – 試想如果可以用其他方式增溫加壓，那麼不就可以省去笨重的壓縮器和渦輪了嗎。空氣動力學談到氣流，在超音速情況下因界面容易產生震波，一般在航空氣動力應用上，「震波」（Shock）是很頭痛的問題，因為它擾亂氣流並增加阻力，但是它的缺點在沖壓引擎應用上反而成為優點，因為氣流在通過震波會得到增溫加壓的效果。
簡單的說，「沖壓引擎」（Ramjet）與「渦輪噴射引擎」（Turbojet）的主要分別在於：前者適用於「超音速」飛行速度（3 < M < 6），沒有使用「渦輪」（turbine）將吸入的空氣增壓；後者則適用於馬赫數3以下的飛行，使用「渦輪」（turbine）將吸入的空氣加壓增溫，然後再燃燒、爆炸、噴射。一般火箭由於需要自帶氧化劑，其重量往往超過燃料，然而沖壓引擎的氧氣則取自大氣，飛彈可以容載的燃料自然增加，射程也會大大增加。
高超音速飛彈（6 < M < ？）需要使用的則是「超音速燃燒沖壓引擎」（Scramjet Engine）。因為Scramjet是由Ramjet所衍生發展出來的引擎，所以在介紹Scramjet Engine前，我們以下面的示意圖，先簡單介紹Ramjet Engine。
來源：「沖壓引擎」（Ramjet）示意圖4
Ramjet Engine的組成部分為：「進氣道」（Inlet）、「亞音速燃燒室」（Subsonic Combustor）、「噴嘴」（Nozzle）– 主要是靠「進氣道」內外的「斜震波」（Oblique Shocks）及「正震波」（Normal Shock）將吸入的超音速空氣減速至亞音速並增溫加壓、混合燃料、燃燒爆炸；它沒有渦輪（Turbine）與齒輪（Gear）這些部件來為空氣增壓。
進氣道是一特有曲線的「圓錐體」，由inner body和引擎罩形成；基本上，進氣道是由寬逐漸變窄。首先超音速氣流接觸到inner body最前端的尖點後會形成外斜震波，理想的外斜震波的斜度剛好讓波型接觸到進氣道的外殼前緣。超音速氣流接著進入進氣道，並在氣道裏反覆產生斜震波，最後在進氣道最窄處產生正震波，氣流因而降低成亞音速，並繼續在「擴散器」（Diffuser）降速增壓。
來源：「超音速燃燒沖壓引擎」（Scramjet Engine）示意圖4
上述提到Ramjet適合3 < M < 6 飛行條件，其設計在大於6馬赫時，由於氣流溫度過高，燃燒效率會降低；如果在進入燃燒室前，不需要減速至亞音速；換言之，能夠在超音速情況下進行燃燒爆炸的Ramjet，就是Scramjet的設計原理。
Scramjet Engine的組成部分為：「進氣道」（Inlet）、「隔離器」（Isolator）、「燃燒室」（Combustor）、「噴嘴」（Nozzle）– Scramjet靠「進氣道」及「隔離器」內外的「斜震波」（Oblique Shocks）將吸入的高超音速空氣減速至超音速並增壓、混合燃料、燃燒爆炸；它同樣沒有渦輪（Turbine）與齒輪（Gear）這些部件來為空氣增壓。
從上面兩個示意圖，讀者可能會感覺Ramjet及Scramjet 的引擎設計相對簡單，好像沒有Turbojet引擎複雜。其實在超音速或高超音速飛行速度下，單是在燃燒室內點燃加溫/加壓/混合燃料的氣體，就是一件非常不容易做到的事 – 舉個例子說明：在有風的環境下，以打火機點燃一根香菸就非常困難，更遑論在亞音速或超音速的風速下去點燃一根香菸。至於什麼樣的「進氣道」與「隔離器」設計，才能夠產生合適地點與強度的「斜震波」（Oblique Shocks）及「正震波」（Normal Shock）就更是難上加難。由於沖壓引擎飛彈限制在大氣中飛行，其全程都會遭遇空氣阻力，所以彈體的設計就更加嚴峻。
我們會繼續為讀者介紹美蘇中三國的高超音速飛彈的現況，以及飛彈與防空飛彈之間的博弈。
附註一、CASE在2022年3月8日刊出的「漫談太空旅行」（五）
http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39413
附註二、”Advanced Rocket Engine, “ by Oskar J. Haidn, Advances on Propulsion Technology for High-Speed Aircraft（pp. 6-1 – 6-40）, 12 February 2015.
附註三、CASE在2022年5月17日刊出的「波音787夢幻客機的引擎」（GEnX）
http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39913
附註四、”Study of An Air-Breathing Engine for Hypersonic Flight, “ by Marta Marimon Mateu; September 2013
https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/20295/Technical%20Report.pdf
作者：
王志强 博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist)，1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業；他的斜槓人生還擔任過：安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理，中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。