马里兰州阿伯丁试验场 18 号靶场，弥漫着美国陆军武器试验场低技术、钢铁和火药的轰鸣声。坦克炮瞄准平静的切萨皮克湾。弹药储存掩体半埋在铁丝网围栏后面。伤痕累累的混凝土板和装甲板沿着大地铺开。远处，试验性火炮像雷声一样轰鸣。
然而，在一门令人恐惧的超大号武器旁几步之遥，却矗立着一件似乎有些问题的设备。这是一个笨重的装置，刷着闪亮的新油漆，与那些黯淡的坦克炮相比，它看起来就像一个误入退伍军人节游行的感恩节花车。它的主要部件是一根 40 英尺长的金属管，架设在一个由液压千斤顶支撑的巨大桁架上。这根管子是由用过的坦克炮管首尾相连组成的。它们间隔处被细小的金属管道刺穿，通往一个装满压缩气体瓶的装甲棚。这个笨拙的装置被称为冲刺加速器。尽管它外表朴实无华，但却蕴含着能让任何普通坦克炮相形见绌的力量。
与它喧嚣的邻居们一样，冲刺加速器的使命是将弹丸加速到惊人的速度。但冲刺加速器并非真正的武器，它最接近的亲戚也不是榴弹炮和加农炮。它更像是一个航空实验室、一个风洞和一个发动机试验台的结合体，而它最亲近的表亲是呼啸的飞机发动机——冲压发动机，以及比它们更快的高超声速冲压发动机。这些发动机据称将以超音速——即音速的五倍（5 马赫）以上的速度——驱动未来的飞机。目前还没有任何飞机能以吸气式发动机达到如此快的速度。
达到这些令人振奋的速度长期以来一直是飞机设计师的目标。但这一追求充满了技术失败和高昂的费用。冲压发动机和高超声速冲压发动机被设想用于造价数十亿美元的实验飞机；最近被取消的 X-30，一架计划达到音速 25 倍（约每小时 18,000 英里）的飞机，就是一个例子。然而，冲刺加速器能让工程师们近距离观察冲压发动机中发生的复杂物理现象，而无需花费巨额资金。
之所以可能，是因为冲刺加速器和这些超高速发动机基本上遵循相同的规则。在每种情况下，气体都会被压缩、点燃并迅速膨胀以提供推力。区别在于，冲压发动机或高超声速冲压发动机为整架飞机提供推力，而冲刺加速器则为小型弹丸提供推力。
与任何喷气发动机一样，冲压发动机和高超声速冲压发动机通过将燃料与压缩空气混合来工作。但与传统喷气发动机不同的是，它们没有机械空气压缩机。当喷气发动机达到大约 2 马赫的速度时，这些压缩机效果不佳，而这正是冲压发动机设计开始工作的时候：随着涌入的空气高速进入发动机，它会被发动机前端突出的锥形扩压器压缩。然后，它被强制——冲压——通过狭窄的进气口进入位于扩压器后面的燃烧室。在那里，空气与燃料（通常是氢气）混合，并由火花装置点燃。燃烧混合物膨胀并从发动机后部喷出，提供推力。
理论上，冲压发动机可以将飞机带到大约 5 马赫的速度。在该速度下，进入的空气在被压缩的同时，速度也会显著减慢到亚音速。然而，随着飞机速度的提高，空气进入发动机的速度如此之快，以至于很难保持燃料混合物的燃烧。为了克服冲压发动机的局限性，飞机需要配备高超声速冲压发动机（超音速燃烧冲压发动机），这些发动机旨在进一步压缩进入的空气，并且理论上允许混合物即使在空气以超音速运动时也能燃烧。问题是，高超声速冲压发动机本身尚未完善：在如此快的气流中保持气体燃烧至今仍是一个无法克服的挑战。
这就是阿伯丁试验场的设备等装置发挥作用的地方。在冲刺加速器的黑暗管内，超音速燃烧的问题似乎消失了。
冲刺加速的世界围绕着一位身材瘦长、庄重、50 岁的航空航天工程师亚当·布鲁克纳展开。十年前，布鲁克纳和他的同事们在华盛顿大学一间地下室般的实验室里建造了自己的冲刺加速器，从那时起，他一直处于该领域的前沿。
布鲁克纳将这个想法的萌芽归功于已退休的华盛顿大学教授艾布·赫兹伯格。1983 年，在一次横跨中国的火车旅行中，赫兹伯格消磨时间，试图设想一种方法，能够将重型弹丸撞击得如此之硬，以至于发生核聚变。他曾设想，与其依靠一次性的爆炸来加速弹丸，不如让一团膨胀的气体形成的燃烧火球在发射管内追逐弹丸，不断地对其尾部施加推力。
“艾布是个杰出的想法家，”布鲁克纳带着明显的喜爱之情说。“作为他的同事，我们的职责是完善细节。”而这些细节，至少可以说，是极其复杂的。
赫兹伯格将他的概念描绘成一个管子里的冲压发动机，管子充当发动机的整流罩，弹丸充当扩压器。由于冲压发动机必须以超音速的速度运行才能开始产生推力，因此管内的弹丸也必须以类似的速度移动。然后，一旦它进入管内，弹丸后面的气体就必须被点燃。
布鲁克纳、赫兹伯格和同事大卫·博格丹诺夫最终确定的计划是，通过一股压缩氦气的冲击，将弹丸初始速度提升到每小时 1,500 英里。在管内，氦气会推压一个“闭塞器”，一个平面的圆柱形塞子，看起来像一个冰球。闭塞器进而推压弹丸。当两者都开始加速时，它们会遇到一种含有预混合燃料和空气的易燃气体混合物。气体将顺畅地掠过流线型的弹丸，但会撞击钝的闭塞器。突然的压缩产生的热量足以点燃爆炸性混合物。这将发射弹丸——一枚六英寸长、带有尾翼的、类似巴克·罗杰斯的银色导弹。
当弹丸沿着加速器管加速前进时，管内的气体混合物通过弹丸和管内壁之间的环形间隙被压缩。气体从间隙中喷出，被弹丸尾部继续进行的燃烧点燃。因此，弹丸将“冲浪”在燃烧压力波上，一路不间断地加速。
起初，整个想法引来了嘲笑。“我们从校外的人那里得到了最大的笑声，”布鲁克纳回忆道。“一根管子里装满了可燃混合物？ slightest thing 就会像炸弹一样引爆它！但他们不理解这个过程，而我们非常有信心它会成功。”
一开始，并没有成功。布鲁克纳、赫兹伯格和博格丹诺夫经历了数次失败的尝试，直到这个概念达到了他们的期望。让弹丸后面的气体点燃尤其棘手。（三人最初尝试了车载点火系统，才想出了闭塞器的点子。）他们还花了数月时间才找到一种燃烧温度足够低的燃料混合物，以至于在点火时整个管子不会像一个巨大的管状炸弹一样爆炸。他们最终选择了甲烷、氮气和氧气的混合物。到 1986 年，他们已经有了一个工作中的 16 英尺长、直径 1.5 英寸的冲刺加速器，以及一个由空军、NASA 和一家航空航天公司组成的少量感兴趣的赞助商网络。
从那时起，该团队一直试图兼顾两个优先事项。他们以坚定的学术严谨性，深入研究了冲刺加速的基本物理原理。当弹丸穿过管子时发生了什么？冲刺加速作为高速飞机发动机运行的比喻有多贴切？与此同时，他们也试图满足他们的资助者，资助者们像跑车后座兴奋的孩子一样，敦促研究人员将加速器推向越来越高的速度。在满足赞助者的过程中，该团队发现冲刺加速器超出了他们自己的预测。
特别是，布鲁克纳低估了冲刺加速器的极限速度。他认为弹丸不会加速到超过气体混合物的爆燃速度——即点燃后，燃烧波通过气体的速度（类似于爆炸通过已点燃的炸药棒的速度）。他推断，如果弹丸确实超过了爆燃速度，燃烧波施加的压力就会滞后于弹丸的尾部。没有这种压力，推力就会下降。
理论被证明过于简单。结果表明，弹丸可以轻松超过爆燃速度。“我们正在进行一个非常长的管子实验，”布鲁克纳回忆道。“因为我们想看看推力是如何下降的。但该死的它并没有下降——它获得了第二次生命，并将弹丸推过了爆燃速度，而且速度越来越高。”
布鲁克纳说，要理解发生了什么，想象一下弹丸在管子里开始滑行的样子。回想一下，当压缩气体通过弹丸周围的环形间隙挤压并遇到其后面的燃烧区时，它们会被点燃并膨胀，增加推动弹丸尾部的力。所有这些燃烧气体的能量释放导致形成一个冲击波——一个连续的高压波——它位于弹丸尾部大约一半的位置，垂直于冲刺加速器管的轴线。
但是现在弹丸正在接近混合物的爆燃速度。布鲁克纳和他的同伴们认为，发生的情况是，冲击波开始从垂直姿态转向倾斜姿态，原因他们仍然不清楚。现在，围绕着高速弹丸和通过间隙的气流被这个“斜爆燃波”——正如他们所称——如此强烈地压缩，以至于这种附加压缩产生的热量在气体甚至到达弹丸尾部后方的燃烧区之前就将其点燃了。
燃烧不再发生在弹丸后面。取而代之的是，一股薄薄的超音速燃烧气体流挤压着弹丸的锥形尾部，就像两根手指挤压西瓜籽一样。在这种模式下，华盛顿冲刺加速器的速度达到了每小时 5,200 英里以上，远高于该混合物约每小时 3,800 英里的平均爆燃速度。布鲁克纳说，理论上的上限可能高达每小时 18,000 英里。
然而，真正让布鲁克纳感到惊讶的是，冲刺加速器能够平稳地从一种加速模式过渡到另一种模式——从依靠弹丸后方的燃烧推动弹丸，到依靠斜爆燃波驱动弹丸。这一发现不仅仅是一个学术上的好奇。如果布鲁克纳对他对管内实际发生的现象的判断是正确的，那么他和他同事们可能已经找到了克服高超音速飞行最大问题的方法。
斜爆燃波的出现可能有助于解决阻碍高超声速冲压发动机发展的难题——超音速燃烧的困难。一位高超声速冲压发动机专家说，在超音速气流中燃烧燃料“就像在飞驰的敞篷车里试图点燃火柴”。然而，布鲁克纳相信，当斜爆燃波在高超声速冲压发动机中接管时，会发生超音速燃烧。
自华盛顿大学的设备揭示其秘密以来，冲刺加速器俱乐部不断壮大。去年，法国德法军事技术研究所（一个由两国国防部资助的实验室）开始了两台加速器的试验。“我去年去那里旅行时，我简直垂涎于他们的设备，”布鲁克纳 wryly 地回忆道。现在，美国陆军机械工程师大卫·克鲁琴斯基也加入了冲刺加速器的行列，他于 1990 年检查了华盛顿大学的设施。“我回来时非常钦佩，”克鲁琴斯基说。他随后游说他的雇主，陆军研究实验室，为其提供资金。今年早些时候，他在阿伯丁试验场的机器，其 120 毫米炮管——直径 4.7 英寸，与坦克炮口径相同，是华盛顿设备直径的三倍——在第一次试射时就取得了成功。对于冲刺加速器来说，直径是关键：炮管越大，可以发射的物体就越大。陆军的机器目前是世界上最大的，并证明了冲刺加速器可以在更大的规模上工作。
显然，陆军以及法国和德国的冲刺加速器背后都有明确的军事目标。两者都旨在开发一种撞击装甲的系统，以便研究未来武器造成的损害。但在这个国防预算日益减少的时代，克鲁琴斯基迅速强调了这项技术的多功能性。“我特别喜欢用更大的冲刺加速器将小型有效载荷发射到轨道的想法，”他说。
毫不奇怪，大型冲刺加速器也吸引了 NASA 的注意，但制造功能性设备的计划已被搁置。不久前，NASA 兰利研究中心的调查人员曾有兴趣建造一个非常强大的冲刺加速器，使其直接达到斜爆燃阶段。他们希望将其用于一个名为“先进超高速空气动力学设施”（AHAF）的巨大测试结构。AHAF 加速器被设计成一个巨大的管子，宽约 2 英尺，长 1,000 英尺，旨在以高达每小时 27,000 英里的速度发射一架重 2-3 英尺、遍布传感器的模型飞机。模型弹丸将从冲刺加速器中射出，穿过一个含有平流层稀薄空气的腔室。
“我们没有一个能够模拟在实际空气中以 8、10 或 12 倍音速飞行时真正发生的情况的设施，”兰利航空航天工程师罗伯特·威特科夫斯基解释说，他曾参与该构想的开发。“冲刺加速器对 AHAF 来说最有前景。你可以控制加速，建造尺寸没有限制，而最重要的一点？它很便宜。”然而，仍然不够便宜——NASA 已将该设施搁置。
与此同时，两所日本大学和埃格林空军基地正在研制新一批冲刺加速器，分别源于对高超音速发动机和高速导弹防御的兴趣。这种活动的激增让布鲁克纳感到欣慰。“我唯一的担忧是，”他补充道，“这方面的巨额资金已经转移到海外。我们现在预算非常紧张。”
尽管布鲁克纳和他的同事们因其开创性的努力获得了 NASA 和五角大楼的高度评价，但在 90 年代严峻的财政环境下，他们在争取资金方面遇到了困难。“尽管如此，”他说，“我们是第一个建造它并证明其原理并继续前进的团队。没有人能夺走这一点。”
