組合動力飛行器技術發展

彭小波

（中國運載火箭技術研究院組合動力飛行器技術研究中心，北京，100076）

特約稿件

組合動力飛行器技術發展

彭小波

（中國運載火箭技術研究院組合動力飛行器技術研究中心，北京，100076）

組合循環動力技術是多種傳統動力技術的有機融合，可有效拓展飛行器的速域和空域包線，是先進航天技術的重要發展方向。對組合循環動力技術發展歷程及現狀進行了總結，分析了組合循環動力技術在重復使用天地往返飛行器、高超聲速飛行器方向的應用發展情況，研究并概括了其技術發展趨勢，提出了在組合動力飛行器技術領域的發展建議。

組合循環動力；組合動力飛行器；重復使用天地往返飛行器；高超聲速飛行器

0 引 言

隨著航天技術的不斷發展，單一類型的動力形式在滿足天地往返運輸系統快速、廉價、自由往返空間和高超聲速飛行器多任務飛行等需求方面存在的差距越來越明顯[1,2]。組合循環動力（以下簡稱組合動力）技術可將兩種或以上的動力類型有機結合，各動力單元相互融合，功能相互補充，針對不同飛行階段，采取最高效的動力推進方式，最大限度地發揮不同動力的優點，從而大大拓展飛行器的高度-速度包線[3]。組合動力技術應用于航天運輸，可為天地往返系統提供低成本、高性能的動力系統方案；應用于高超聲速飛行器，可顯著拓寬飛行包線、提高機動能力。

組合動力技術是液體火箭發動機、渦輪發動機等技術與沖壓發動機技術的有機結合。與單一類型的動力相比，組合動力可發揮不同類型動力技術在各自工作范圍內的技術優勢，具備工作范圍寬、平均比沖高、使用靈活便捷等技術特點。目前組合動力類型主要有：火箭基組合循環（Rocket Based Combined-Cycle，RBCC）動力、渦輪基組合循環（Turbine Based Combined-Cycle，TBCC）動力、預冷類組合動力等。

1 組合動力技術發展概況

1.1 火箭基組合循環

自20世紀五六十年代以來，美國、日本、法國和俄羅斯等航天大國都在積極開展火箭基組合循環（RBCC）的理論分析和試驗研究，取得了大量研究成果。RBCC發動機的研究工作大體可以劃分為3個階段：

早期研究（1950～1970年）：20世紀五六十年代，美國已經開始RBCC發動機探索研究，主要集中于引射和亞燃模態，發動機采用固定幾何軸對稱構型，典型的發動機方案包括ERJ和SERJ兩種發動機方案[4]。

中期研究（1980～2000年）：該階段由NASA主導，國家空天飛機計劃（NASP）極大地帶動了吸氣式高超聲速推進技術的發展。NASP計劃后，美國在先進空間運輸技術計劃（ASTP）帶動下，RBCC發動機的研究進入高潮，主要研究成果也集中于這一時期。主要包括航空噴氣公司的Strutjet[5,6]發動機方案，NASA格林研究中心（GRC）的GTX[7,8]方案，Rocketdyne公司的A5[9,10]方案，ISTAR[11]飛行試驗項目，以及日本和歐洲的RBCC發動機方案，完成了大量的試驗驗證，為技術快速發展奠定了堅實的基礎。

近期研究（2000年-）：美國在NASA、DARPA、空軍和國防部的主導下，主要在CCE和ISTP等計劃下開展了一些新型結構發動機的研究工作，單項技術得到了深入驗證，對RBCC在天地往返領域的應用開展了多方案研究。目前，美國主要發展引射火箭推力增強技術、模態轉換技術、塞式噴管技術及進排氣系統動態工作技術，擬于2020年后進行飛行試驗。日本JAXA已完成亞聲速到超聲速的引射模態飛行試驗驗證，覆蓋引射模態、亞燃模態及超燃模態的自由射流試驗，如圖1所示，計劃5年內開展RBCC動力飛行驗證試驗。

圖1 日本RBCC試驗情況

1.2 渦輪基組合循環

20世紀50年代，美國開展了空天飛機計劃（Aerospace Plane），其初始概念中，渦輪基組合循環（TBCC）就是其動力系統的備選方案之一。應用于SR-71的J-58發動機是最早的TBCC發動機。后來，在ASTP計劃的帶動下，NASA還專門成立了RTA計劃，發展一種滿足低成本并且安全進入太空所需的重復使用的低速段TBCC推進系統，使飛行器能像飛機一樣起飛，從而大幅度降低發射費用，提高安全性，并可利用現有的機場地面設施，引發太空飛行的革命性變化。RTA[12,13]計劃以格林研究中心牽頭（GRC），蘭利研究中心（LaRC）、馬歇爾航天飛行中心（MSFC）、空軍和海軍航空兵武器系統部（NAVAIR）參與其中。

GE公司制造了TBCC發動機的地面驗證機RTA-1、RTA-2，并做了大量的地面試驗。RTA計劃對串聯式TBCC開展了大量探索性研究，認為串聯式TBCC發動機雖然具有輪廓尺寸小、重量輕等優點，但其受飛行馬赫數的限制較大，在高馬赫數飛行時難以保護渦輪發動機，且渦輪發動機在氣路中會造成較大的性能損失，進而導致高馬赫數狀態性能欠佳。這可能是FaCET計劃和SR-72平臺都采用并聯式TBCC的主要原因。

FaCET計劃由DARPA和美國空軍聯合贊助，總承包商為洛·馬公司，發動機由普·惠火箭動力公司負責研制。該TBCC發動機由雙模態沖壓發動機和RTA計劃中研究的渦噴發動機組合而成。FaCET計劃把TBCC重要部件組合到一起，進行了地面試驗和自由射流試驗。盡管自由射流試驗中沒有真實的渦輪發動機，但模擬給出了渦輪流道，為真正開展渦輪發動機與沖壓發動機的一體化試驗奠定了基礎，使TBCC部件集成技術得到了驗證。FaCET項目設計和試驗驗證結果使美國空軍增強了對TBCC的發展信心[14]。

在洛·馬公司公布的SR-72最新方案中，Ma＝6高超聲速飛行器采用并聯式TBCC發動機。圖2為美國SR-72的TBCC動力系統方案。該項目的技術源自FALCON計劃的HTV-3X[15]項目，特別是動力裝置。SR-72計劃在2018年進入驗證機開發階段，并在2023年實現首飛。

圖2 美國SR-72的TBCC動力系統方案

DARPA近期在TBCC技術方面開展了先進全速域發動機（AFRE）研究[16]，計劃研發一種能在馬赫數在0～5+范圍內無縫連接工作的重復使用、碳氫燃料全尺寸TBCC發動機，以支撐實現能夠在拒止環境下執行情報監視與偵察（ISR）任務的高超聲速飛機。

1.3 預冷類組合動力

國外在20世紀50年代提出了預冷循環發動機概念，經過數十年的發展，其系統方案經過反復的改進和優化，關鍵技術也得到了一定的驗證，其發展歷程大致可以分為3個階段：

第1階段（20世紀50年代），主要是概念研究階段，提出了液化循環發動機（LACE）概念，開展了一些理論方面的分析工作，沒有實質性的研究[17]。

第2階段（20世紀90年代），這一階段是預冷循環發動機發展的重要時期，參與研究的國家包括美國、日本、俄羅斯、英國等，提出了十余種預冷循環發動機方案，并開展了大量的試驗驗證工作，核心技術空氣預冷技術得到了深入驗證，這一時期液化空氣循環發動機方案得到了重點研究，但由于空氣液化分離技術上的巨大挑戰[17]，后來逐漸集中于空氣深冷循環。

第3階段（21世紀初至現在），大多預冷循環發動機研究計劃停止，但是空氣預冷技術得到了持續發展，目前研究工作較為深入的國家主要是英國和日本，典型的是英國的佩刀（Synergetic Air-Breathing Rocket Engine，SABRE）發動機，如圖3所示。

圖3 英國SABRE發動機

2013年，英國反應發動機公司（REL）成功完成了SABRE發動機核心部件預冷器的全尺寸演示驗證試驗[18]。英國政府宣布投資SABRE試驗發動機項目6000萬英鎊。2015年，美國空軍實驗室給出了SABRE發動機評估分析，認為其具有較好的發展潛力，計劃進一步加深合作。英國宇航系統公司（BAE）投資反應發動機公司及其SABRE試驗發動機項目2000萬英鎊，開展技術合作，加速研發新型SABRE發動機。

2 總體應用發展概況

組合動力可有效拓展傳統航空類飛行器的飛行速域和空域，使飛行器具備跨域飛行能力。在發展過程中，逐步形成了重復使用天地往返飛行器及高超聲速飛行器兩條應用途徑。

2.1 重復使用天地往返飛行器方向

適應進入空天所經歷的全速域、全空域飛行條件是組合動力技術概念提出的最主要原因。組合動力空天飛行器能夠從普通機場起飛和著陸，可實現低成本、常規化、靈活可靠的航天運輸，具有軍事上和民用上的雙重意義。圖4為組合動力天地往返系統技術發展路線。

圖4 組合動力天地往返系統技術發展路線

20世紀60年代，美國提出“重復使用航天運輸系統研究（RLV）”計劃，重點開展了ERJ、SERJ兩型RBCC發動機研究，驗證了引射和亞燃沖壓模態性能。70年代，由于大量經費用于航天飛機研制，RLV計劃終止，組合動力技術陷入低谷。

20世紀80年代，基于航天飛機的成功研制經驗，以及吸氣式動力的突破性進展，各國掀起了組合動力天地往返系統的研究高潮。美國提出“國家空天飛機（NASP）”計劃及X-30單級入軌飛行器，對多種RBCC動力系統開展了大量研究[19]；英國提出“HOTOL”單級入軌空天飛機，以一種新型吸氣式火箭發動機作為動力系統[20]；德國提出“桑格爾”兩級入軌運載器，其中一子級采用TBCC動力，二子級采用液體火箭發動機[21]。

20世紀90年代初，由于技術水平無法支撐完全重復使用天地往返系統的研制，各國組合動力天地往返系統研究計劃相繼終止，但其研究成果為后續的關鍵技術突破奠定了良好的基礎。NASP計劃后，美國主要聚焦于組合動力關鍵技術及制約組合動力應用的超燃技術的研究，并在NASA、DARPA和空軍的支持下，相繼通過多項計劃對以RBCC為代表的組合動力技術開展研究。

英國在“HOTOL”計劃終止后，在其基礎上，成立英國噴氣發動機有限公司，開展了“SABRE”復合預冷發動機及“SKYLON”單級入軌運載器研究。

2.2 高超聲速飛行器方向

航空技術的發展是一個追求速度的歷史。在20世紀50年代突破“聲障”后，高超聲速飛行成為了航空技術發展的追求目標之一。圖5為組合動力高超聲速飛行器技術發展路線。

圖5 組合動力高超聲速飛行器技術發展路線

20世紀50年代末，由于渦輪噴氣發動機發展較為成熟，美國在最初考慮使用吸氣式發動機作為高超聲速飛行器動力時，以渦輪發動機為基礎的組合循環發動機是其重要的研究方向之一。

20世紀60年代初，為了在冷戰軍備競賽中掌握主動，美國提出了高空高速戰略偵察/轟炸機方案，其最大飛行速度達到了Ma=3.2，其偵察機型最終發展為SR-71高速偵察機。SR-71采用的J-58發動機為渦輪動力與亞燃沖壓動力的結合，實質上是一種串聯TBCC動力。目前，SR-71仍保持著吸氣式動力有人駕駛飛行器的最大飛行速度記錄。

20世紀90年代末SR-71退役后，美國希望研制一型飛行速度更快的飛行器替代SR-71。進入21世紀后，超燃沖壓動力取得初步突破，支撐了渦輪動力和雙模態沖壓（亞燃、超燃）動力相結合的并聯TBCC技術發展，該動力可有效拓寬串聯TBCC的工作馬赫數上限，提高最大飛行速度。

21世紀初，美國提出FALCON計劃，研制高速巡航飛行器（HCV）是其研究目標之一，HTV-3X作為HCV的驗證機而開展研究。HTV-3X采用并聯TBCC技術，最大速度可達Ma＞6。由于經費緊張等一系列原因，2009年，美國取消了對HTV-3X的經費支持。在HTV-3X的研究基礎上，2007年，洛·馬公司提出SR-72飛行器概念。該飛行器也采用并聯TBCC動力，可用作ISR甚至打擊任務。

除重復使用天地往返飛行器及高超聲速飛行器之外，在組合動力技術發展過程中，中間成果也逐步實現了向工程應用的轉化。

20世紀60年代，在高超聲速研究發動機（HRE）計劃的支持下，開展了全尺寸超燃沖壓發動機地面風洞試驗。同時，提出了SCRAM導彈計劃，對高超聲速導彈總體與超燃動力技術開展了一系列研究[22]。

20世紀90年代，基于NASP計劃對超燃動力研究的技術基礎和快速響應、遠程打擊的現代化戰爭需求，美國提出“可承受快速響應導彈演示（ARRMD）”計劃，該計劃包括空軍和海軍的兩種方案，其中空軍方案發展為后續的X-51A飛行器，海軍方案發展為后續的HyFly導彈[23]。

21世紀，美國提出“快速全球打擊（PGS）”體系，并加快了對高超聲速導彈的支持力度。X-51A的4次飛行試驗對基于碳氫燃料主動冷卻雙模態沖壓發動機進行了全面驗證，但基于雙燃燒室沖壓發動機的HyFly導彈3次帶動力飛行試驗均以失敗而告終。2014年，在X-51A及HyFly的技術基礎上，美國提出“高超聲速吸氣式武器概念（HAWC）”計劃，推進吸氣式高超聲速飛行器的武器化。

3 技術發展趨勢分析

通過對組合動力飛行器技術研究歷程和發展情況的分析可以看出，組合動力飛行器技術領域發展趨勢有如下特點：

a）組合動力飛行器技術復雜程度高、難度大，涉及氣動/推進一體化、高效熱防護、輕質結構與材料、超聲速燃燒、大范圍變工況火箭、高速渦輪等多項前沿技術。NASP計劃之后，美國更加注重關鍵技術的研究和突破，通過X-43A 3次飛行試驗，驗證了氣動/推進一體化設計、氫燃料超聲速燃燒等關鍵技術；通過X-51A 4次飛行試驗，驗證了碳氫燃料超聲速燃燒、發動機主動熱防護等關鍵技術，為組合動力技術的突破和應用奠定了技術基礎。

b）受應用方向、傳統優勢、技術積累等方面的影響，不同國家、不同研究機構在組合動力技術方面形成了不同的技術發展路線。美國自20世紀60年代即開展了RBCC、TBCC等組合動力技術研究，同時，基于天地往返飛行器和高超聲速飛行器的應用牽引，以及其火箭發動機、渦輪發動機的傳統技術優勢，目前美國在組合動力技術方面的主要研究仍聚焦于RBCC、TBCC兩類組合動力技術方向，針對不同動力方案開展部件及系統集成研究；英國基于液化空氣循環發動機研究基礎，提出了HOTOL空天飛機方案，在吸氣式火箭發動機RB545的基礎上，提出了復合預冷組合循環發動機SABRE方案，并以此作為單級入軌運載器的動力選擇。

c）在瞄準天地往返應用目標開展技術研究的同時，根據不同應用背景逐步開展中間成果轉化應用。美國提出吸氣式高超聲速技術發展路線，在明確天地往返應用目標的同時，擬根據動力及總體應用關鍵技術不同階段的突破程度，逐步應用于高超聲速飛行器等領域，支撐組合動力飛行器技術研究的持續開展和不斷深入。

d）在開展關鍵技術研究的同時，注重技術研究和試驗方法的發展，強調通過飛行試驗對關鍵技術突破情況的驗證和考核。國外在開展吸氣式高超聲速技術研究過程中，注重基礎理論研究與地面試驗相結合，先開展基礎理論分析，同步開展地面縮比試驗，驗證技術可行性，并通過地面試驗技術發展支撐關鍵技術突破，最后通過系統集成飛行演示試驗驗證和考核關鍵技術突破情況，分步驟有序推動組合動力飛行器技術發展。

e）組合動力飛行器技術經過多年發展，部分技術已經具備開展工程應用的條件，例如超燃動力技術，經過近二十年的發展，特別是通過X-51A 4次飛行試驗驗證，作為組合動力技術基礎的超燃動力技術已經實現初步突破，具備轉化為高超聲速導彈武器的條件。目前，DARPA正在通過“高超聲速吸氣式武器概念（HAWC）”項目，繼承X-51A高超聲速飛行器的研究成果，推動高超聲速導彈武器的實戰化。可以預見，隨著超燃動力這一制約組合動力發展的技術的突破，組合動力飛行器技術必然進入更加快速發展的階段。

4 發展建議

國外在組合動力飛行器技術方面經過60余年的研究，積累了大量的試驗數據，突破了多項關鍵技術，獲得了豐富的研究成果，其研究方法及思路值得學習與借鑒。總結國外組合動力飛行器技術的發展歷程，建議如下：

a）結合關鍵技術研究進展，持續開展組合動力飛行器技術領域發展規劃動態研究，建立國家頂層發展規劃，明確長期發展路線，指引技術不斷發展。

b）瞄準未來天地往返應用方向，加強典型組合動力技術形式探索研究，跟蹤技術前沿動態，分析各技術方案優劣勢，深入開展關鍵技術研究及應用途徑分析。

c）強調基礎關鍵技術研究、地面試驗與研究性飛行試驗逐步推進的方式開展關鍵技術研究，通過各階段研究的逐步遞進，強化技術基礎，逐步提升技術成熟度，推動關鍵技術突破。

d）各優勢單位應加強技術聯合研究力度，聚焦主要應用目標，聚力推動組合動力飛行器技術領域核心關鍵技術快速突破，為領域的快速發展奠定基礎。

5 結 論

組合動力飛行器技術是支撐未來重復使用天地往返飛行器、高超聲速飛行器技術發展與應用的核心技術，是未來先進航天技術的重要發展方向。應從國家層面給予重視，統一技術領域發展規劃。現階段應著重致力于突破制約組合動力飛行器技術應用的基礎瓶頸關鍵技術，通過地面研究、飛行試驗等途徑，提升技術成熟度，明確應用發展方向和技術途徑，為未來組合動力飛行器技術的工程應用奠定基礎。

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Development of Combined-cycle Aerospace Vehicle Technology

Peng Xiao-bo
(China Institute of Combined-cycle Aerospace Vehicle Technology, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Combined-cycle propulsion technology is the combination of traditional propulsion technologies, that can efficiently expand the flight envelope of both velocity and airspace, and it represents the important trend of advanced aerospace technology development. In this paper, the development history and the current status of combined-cycle propulsion technology are summarized, the applications in the fields of the reusable launch vehicle and the hypersonic vehicle are analyzed, and the investigation and generalization of the technology development have been launched. The suggestions for technology development are proposed.

Combined-cycle propulsion; Combined-cycle aerospace vehicle; Reusable launch vehicle; Hypersonic vehicle

V41

A

1004-7182(2016)05-0001-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160501

2016-09-06；

2016-09-09

彭小波（1972-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭及重復使用運載器設計