超音速推進 · 從渦輪噴射到超燃衝壓
引擎百科
推動飛機突破音障的動力系統
六種引擎技術，探索同一個挑戰：超越音速。了解渦輪噴射、衝壓、超燃衝壓與火箭如何因應不同飛行條件。
為什麼引擎是關鍵？
動力系統與氣動設計，共同決定可達到的速度
想飛得比聲音快，除了機翼外形，一項核心挑戰就是動力系統。傳統螺旋槳在高速下會面對效率與葉尖可壓縮性等限制，因此工程師發展出從渦輪噴射到超燃衝壓的一系列噴射推進技術，每一類都代表不同的工程取捨。
不同速度範圍適合不同設計：一般次音速客機常用渦輪扇，超音速飛機可用渦輪噴射或具後燃器的低旁通比渦輪扇；更高速度則涉及衝壓、超燃衝壓或火箭。這些範圍會重疊，並不是由速度單獨決定引擎。以下逐一介紹其原理。
渦輪噴射引擎
Mach 0.8–2.5運作方式
進氣 → 壓縮 → 燃燒 → 排氣（布雷頓循環）
渦輪噴射是早期噴射引擎形式。空氣經多級壓縮機加壓，某些設計的壓縮比約為10–25倍，再與燃料混合燃燒。高溫高壓氣體帶動渦輪，渦輪再驅動壓縮機，最後由噴嘴高速排出產生推力。具體壓縮比依引擎而異。
優點：設計相對單純，適合高速飛行，推重比高。
限制：耗油量較高，低速效率較差，噪音大。
使用此類引擎的超音速飛機
低旁通比渦輪扇引擎
Mach 0.8–2.5運作方式
渦輪噴射核心加上風扇，以改善效率
渦輪扇在核心機前方增加風扇。超音速戰鬥機常使用低旁通比設計（數值依型號與操作條件而異），讓較大部分氣流通過核心，較小部分流經旁通道，以兼顧超音速性能與次音速燃油效率。
若搭配後燃器（再熱系統），可向排氣流注入燃料，再次燃燒以增加推力。後燃器可增加推力，但也提高耗油量；具體增幅需依型號與操作條件判讀。許多現代戰鬥機使用具後燃器的低旁通比渦輪扇。
使用此類引擎的超音速飛機
渦輪噴射與衝壓效應的結合
Mach 0–3.3以上運作方式
低速由渦輪噴射系統推進；高速時進氣道、旁通氣流與噴嘴共同發揮作用
SR-71 黑鳥的J58 引擎是著名的高速推進系統。它本質上仍是帶後燃器的渦輪噴射引擎；高速飛行時，進氣錐與進氣道管理氣流，部分壓縮機氣流可經旁通管送到後燃器。不能簡化成超過 Mach 2 後整具引擎就完全變成沒有渦輪運作的衝壓引擎。
進氣道、J58 與噴嘴整合，使 SR-71 能持續在 Mach 3.2 以上巡航。高速度設計點下的整體效率可以提高，但不能據此推論所有條件下都必然越快越省油；油耗仍需搭配速度、高度與量測基準理解。
使用此引擎的飛機
衝壓引擎
Mach 2–5運作方式
不靠旋轉壓縮機，而利用前進速度壓縮空氣
衝壓引擎的基本氣流路徑相對簡潔，不需要渦輪、旋轉壓縮機或風扇。它利用載具前進速度所產生的進氣壓縮；實際系統仍可能包含燃料泵、閥門或可變幾何等活動部件。
超音速飛行時，空氣進入進氣道，透過外形與震波減速並壓縮，使燃燒室內氣流降至次音速。空氣與燃料混合燃燒後，再經噴嘴高速排出產生推力。
主要限制：無法從靜止狀態自行提供有效起飛推力，需要其他方式先加速。所需啟動速度取決於設計，不能把約 Mach 0.5 當作所有衝壓引擎的通用門檻；飛彈常以固體火箭助推器提供初始加速。
使用相關推進方式的載具
超燃衝壓引擎
Mach 5–15以上的研究範圍運作方式
在超音速氣流中燃燒，好比在強風中維持火焰
超燃衝壓引擎（scramjet，即超音速燃燒衝壓引擎）是衝壓引擎的延伸，也是極具挑戰性的吸氣式推進技術。它與一般衝壓引擎的主要差別，在於設計工作狀態下的燃燒室氣流仍為超音速.
。難度在於，必須在每小時數千公里的氣流中點燃並維持穩定燃燒，如同在強風中讓火焰不熄滅。空氣通過燃燒室可能只有幾毫秒，燃料必須在極短時間內完成混合、點火與能量釋放。
NASA X-43A 在2004年達到 Mach 9.6；X-51A 則在2013年完成超過三分鐘的超燃衝壓動力飛行，達到 Mach 5 以上。兩者都是這項技術的重要里程碑。
使用此類引擎的研究機
火箭引擎
從靜止到極高速，太空速度另用 km/s 表示運作方式
自帶氧化劑，不依賴大氣供氧
火箭與吸氣式噴射引擎的根本差異是：火箭自帶氧化劑，不需要吸入空氣，因此能在大氣層外工作，也能從靜止狀態產生推力。
X-15 的 XLR99 火箭引擎推力約57,000 lbf。X-15 計畫在不同飛行中達到約108公里高度與 Mach 6.7，兩個峰值不能視為同一次飛行。Bell X-1 的 XLR11 引擎則支援1947年的首次受控平飛超音速突破。
限制：推進劑消耗很快，例如 X-15 的火箭燃燒時間約80–120秒；比較比衝時，也必須注意火箭自帶氧化劑，與吸氣式引擎的質量計算基礎不同。
使用火箭引擎的飛機
引擎類型比較
並排比較六類推進方式：速度範圍、複雜度與效率；表列區間僅供概略理解。
| 引擎類型 | 速度範圍示例 | 需要大氣供氧 | 活動部件 | 可從靜止運作 | 效率示意 | 代表飛機 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 渦輪噴射 | Mach 0–2.5 | 是 | 多 | 是 | ★★★ | F-104、MiG-25 |
| 低旁通比渦輪扇 | Mach 0–2.5 | 是 | 多 | 是 | ★★★★ | F-22、F-35 |
| 高速渦輪噴射整合系統 | Mach 0–3.3 | 是 | 多 | 是 | ★★★★★ | SR-71 |
| 衝壓 | Mach 2–5 | 是 | 無旋轉壓縮部件 | 否 | ★★★★ | 布拉莫斯飛彈 |
| 超燃衝壓 | Mach 5–15以上的研究範圍 | 是 | 無旋轉壓縮部件 | 否 | ★★★★★ | X-43A、X-51 |
| 火箭 | 可達軌道速度；真空中不定義馬赫數 | 否 | 部分系統有 | 是 | ★★ | X-15、X-1 |
未來引擎技術
探索下一階段飛行的推進概念
SABRE 引擎
結合吸氣式與火箭模式的引擎概念：在大氣中吸入空氣，離開大氣後改以自帶氧化劑運作。原設計提出高速吸氣式飛行與進入軌道的目標；太空中的「Mach 25」只是一種不嚴謹的速度比喻。這些目標不代表已完成從跑道到軌道的飛行。
旋轉爆震引擎
利用持續旋轉的爆震波，而非一般穩定燃燒方式釋放能量。相關研究探索改善效率的可能性，但成果取決於循環、量測基礎及系統整合。美國、中國與日本都有相關研究。
脈衝爆震引擎
以週期性爆震波取代一般爆燃，探索推進效率的改善。是否適合未來極音速載具，仍取決於進氣、循環、噪音及整合等技術驗證，不能把理論優勢視為已完成的性能。