Гиперзвуковая крылатая ракета должна не просто разогнаться выше Маха 5, но и сохранять тягу во время полёта в атмосфере. Для этого используют scramjet — сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который сжигает топливо в потоке воздуха, продолжающем двигаться быстрее звука. Такая схема позволяет поддерживать гиперзвуковую скорость значительно дольше, чем при простом разгоне ракеты с последующим полётом по инерции.

Главное преимущество scramjet в том, что он берёт кислород прямо из атмосферы. Обычная ракета несёт на борту топливо и окислитель вместе, а значит больше весит. Освободившиеся килограммы могут уйти на дополнительное топливо, системы управления или боевую нагрузку. Минус в том, что такой двигатель работает только в плотной атмосфере и требует огромной начальной скорости.

Внутри scramjet нет вращающихся лопаток компрессора. Воздух сжимают форма воздухозаборника и скорость самого аппарата. После сжатия в поток впрыскивается топливо, смесь воспламеняется, и горячие газы расширяются через сопло, создавая тягу.

Название говорит о главной сложности: supersonic combustion ramjet. Обычный ramjet тормозит поступающий воздух перед камерой сгорания до дозвуковой скорости. В scramjet поток остаётся сверхзвуковым даже во время горения. На скоростях выше Маха 5 традиционное торможение воздуха создаёт ударные волны, повышает температуру и теряет энергию. Сверхзвуковое горение избегает этого, но создаёт другую проблему: воздух проходит камеру сгорания за миллисекунды, поэтому топливо должно распылиться, смешаться, воспламениться и выделить достаточно энергии практически мгновенно.

Инженеры сравнивают задачу с попыткой зажечь спичку во время урагана. Пламя должно оставаться устойчивым в потоке, движущемся с огромной скоростью, одновременно контролируя ударные волны, давление и положение области горения. Малейшее нарушение потока вызывает unstart — нормальная работа воздухозаборника нарушается, тяга падает, аппарат теряет устойчивость.

К этому добавляется нагрев. На гиперзвуковой скорости воздух перед аппаратом сильно сжимается, а корпус, воздухозаборник и двигатель испытывают экстремальные тепловые нагрузки. Разработчикам приходится одновременно решать задачи аэродинамики, горения, охлаждения и материаловедения. Воздухозаборник, камера сгорания, сопло и корпус фактически становятся единой силовой установкой, где изменение геометрии одного элемента влияет на работу остальных.

Scramjet не может стартовать с места. Аппарат сначала разгоняют ракетным ускорителем или другим носителем до нескольких скоростей звука. Только после выхода в расчётный диапазон двигатель начинает использовать набегающий поток воздуха.

NASA убедительно показало работоспособность принципа в 2004 году. Экспериментальный беспилотный X-43A разогнался примерно до Маха 9,6 — почти на десятикратной скорости звука. Полёт доказал, что устойчивое сверхзвуковое горение возможно, хотя превращение экспериментального двигателя в серийную установку оказалось куда более сложной задачей.

Военных scramjet привлекает возможность создавать гиперзвуковые крылатые ракеты с постоянной тягой. Такая ракета отличается от boost-glide-систем, где ускоритель разгоняет планирующий блок, после чего аппарат продолжает полёт без маршевого двигателя. Работающий scramjet потенциально позволяет дольше сохранять скорость и активнее менять траекторию в атмосфере.

США проверяли эту архитектуру в программе HAWC, которую DARPA и ВВС использовали для отработки гиперзвуковой крылатой ракеты с углеводородным scramjet. Основные проблемы программы: устойчивый гиперзвуковой полёт, тепловые нагрузки и стоимость конструкции. После HAWC агентство продолжило развитие технологии в проекте MOHAWC.

Высокая скорость сама по себе не делает систему неуязвимой. Дальность, высота, манёвренность и скорость зависят от режима работы двигателя, плотности воздуха и запаса топлива. Сильный нагрев усложняет работу электроники, датчиков и систем наведения. Один успешный испытательный полёт ещё не означает появления надёжного серийного оружия.

Scramjet привлекателен сочетанием кажущейся простоты и крайне сложной физики. В двигателе почти нет движущихся деталей, кислород поступает прямо из воздуха. Но за простотой скрывается необходимость управлять горением, которое длится миллисекунды, удерживать поток в узком рабочем диапазоне и не дать конструкции разрушиться от температуры. Идея сверхзвукового прямоточного двигателя известна десятилетиями, а превращение scramjet в надёжную серийную установку остаётся одной из самых трудных задач гиперзвуковой техники.