組合動力飛行器技術軍民融合發展模式研究

中國運載火箭技術研究院研究發展中心 蔡聞一 楊 旸 饒成龍 鐘欣欣

組合動力飛行器技術軍民融合發展模式研究

中國運載火箭技術研究院研究發展中心 蔡聞一 楊 旸 饒成龍 鐘欣欣

隨著現代軍事技術的快速發展，為滿足空間開發利用及未來戰爭的軍事需求，新型航天飛行器需要具備跨空域、寬速域、高機動飛行等能力，這也對飛行器發動機的性能提出了更高的要求，包括高比沖、大推重比、動力可調節、寬飛行包線等。但是，單一類型的動力裝置均不能滿足以上要求，因此，多種組合發動機應運而生。本文介紹了組合動力系統的主要類型和工作原理，分析了國外典型組合動力飛行器項目軍民融合發展的主要做法，從軍民融合角度出發，對我國組合動力系統未來發展提出了措施建議。

組合動力系統的主要類型

高超聲速技術被認為是21世紀航空航天技術的制高點，也是重要的軍民兩用技術，其發展將對未來軍事發展戰略制定、空間技術發展、武器體系構建等均具有重大影響。高超聲速飛行器的飛行包線十分寬廣，飛行高度從0到40km甚至更高，飛行速度從亞聲速、跨聲速、超聲速擴展到高超聲速。高超聲速飛行器的發展對動力裝置的性能提出了極為苛刻的要求，其必須在寬廣的飛行包線內穩定、可靠地工作。但目前來看，除火箭發動機外，任何單一類型的發動機都不能滿足以上要求，而火箭發動機由于比沖較低，難以支持長時間高超聲速飛行。因此，發展技術性能更為先進的組合動力裝置勢在必行。

一、組合動力系統的基本概念

不同類型的發動機在不同的飛行范圍內性能各具優勢，為實現零速起飛直至高超聲速飛行，必須結合各類型發動機有效工作范圍的特點，采用以火箭、沖壓、渦輪等發動機技術為基礎的不同形式的組合循環推進系統。組合動力系統的基本原理是，將沖壓發動機、渦輪發動機、火箭發動機等不同類型的發動機（兩種或以上）有機融合，將各種發動機在不同飛行階段的優勢集中體現在一臺發動機上。組合動力系統通過不同動力的組合，可根據其優勢轉換使用，在不同的工作模態下，發揮各自的性能優勢，從而使飛行器在起飛、穿越大氣層、入軌等不同飛行階段的全速度范圍內均能夠獲得最優的推進效果，實現飛行器跨空域、寬速域、高機動飛行。

二、組合動力系統的主要類型及工作原理

目前，典型的組合動力系統主要包括火箭基組合循環發動機（RBCC）、渦輪基組合循環發動機（TBCC）、空氣渦輪火箭發動機（ATR）和復合預冷吸氣式火箭發動機（SABRE）等。

（一）RBCC發動機

RBCC發動機是液體火箭發動機和沖壓發動機的有機結合。沖壓發動機是在大氣層內實現高超聲速飛行的理想動力系統，其工作原理是：飛行器飛行時迎面氣流在通過進氣道的過程中將動能轉變為壓力能，空氣經壓縮后進入燃燒室與燃料混合進行等壓燃燒，生成的高溫燃氣在噴管中膨脹加速后排出從而產生推力。沖壓發動機利用大氣中的氧，有較高的比沖，但不能脫離大氣層工作；火箭發動機攜帶推進劑，可全空域工作，但比沖較低。RBCC發動機于20世紀50年代、60年代提出，可充分發揮火箭發動機高推重比和吸氣式沖壓發動機高比沖的優勢，從地面零速起飛，可完全依靠自身實現全空域、全速域飛行，是未來單級入軌可重復使用天地往返飛行器的理想動力形式之一。

（二）TBCC發動機

TBCC發動機是將渦輪發動機與亞燃/超燃沖壓發動機有機組合的推進裝置，采用變循環工作過程，可使飛行器在大氣層內不同的飛行條件（亞聲速、超聲速、高超聲速）下均能獲得良好的推進性能，實現高超聲速飛行。在飛行器低速飛行時，氣流在調節閥的作用下進入渦輪發動機，此時，組合動力系統以渦輪發動機方式工作；在飛行器高速飛行時，氣流在調節閥的作用下進入沖壓發動機，此時，組合動力系統以亞燃/超燃沖壓發動機方式工作。TBCC發動機存在飛行速度和高度上限，無法作為單級入軌動力使用，可以作為未來兩級入軌運載器的第一級動力系統，在高速飛機和巡航導彈方面也有較好的應用前景。

（三）ATR發動機

ATR發動機將火箭發動機與渦輪發動機技術有機融合，可以針對任務特性進行性能設計，比沖高于火箭發動機，推重比大于渦輪發動機。其熱力循環最重要的特點就在于：其渦輪流路采用分離設計，可采用獨立于空氣來流的火箭燃氣發生器循環方式產生富燃燃氣，驅動渦輪帶動壓氣機，進氣道來流畸變敏感性降低，系統調節規律得以簡化，對空氣來流進行預冷卻或與沖壓發動機集成為多模態后，可進一步拓寬發動機的工作空域和速域。ATR發動機是未來可應用于高動態臨近空間飛行器、遠程空射武器，以及天地往返運載器的新型吸氣式組合動力系統。目前，ATR發動機相關研究主要集中在ATR發動機的高推力、小型化和輕質化等方面。

（四）SABRE發動機

SABRE發動機將液體火箭技術、帶預冷器的渦輪壓氣機技術有機融合，是一種用低溫介質氦對來流空氣進行深度預冷的組合循環發動機，并采用超高壓比壓氣機達到更高的增壓能力，實現吸氣、火箭兩種模態下燃燒室組件的共用。SABRE發動機融合了火箭發動機工作范圍寬、渦輪發動機比沖高的性能優勢，能夠顯著提升發動機的性能，降低離地到入軌過程對發動機性能的要求，是有望應用于未來可重復使用、水平起降、單級入軌飛行器的動力選擇之一。

美國組合動力研究進展情況

美國從20世紀50年代末開始進行組合動力技術探索性研究，先后制定并實施了多個相關研究計劃。組合動力系統作為實現高超聲速天地往返的重要技術途徑，隨著多個航天計劃的實施，在關鍵技術方面取得了一系列研究進展。

一、20世紀50年代至20世紀末

20世紀50年代，美國開始進行組合動力系統概念性研究。20世紀60年代～90年代，美國國家航空航天局（NASA）提出了發展下一代可重復使用運載器（RLV）計劃。RLV計劃是一項綜合性的地面和飛行試驗計劃，旨在研制可替代航天飛機和一次性使用運載火箭的經濟、可靠、便于操作的可重復使用航天運載器系統。

在RLV計劃的支持和推動下，美國Marquardt公司由空軍資助，對引射沖壓發動機（ERJ）進行了一系列地面試驗，對起飛加速、跨聲速和超聲速飛行等過程開展了研究。在航天飛機推進系統采用全火箭推進方案后，Marquardt公司轉入了4Ma～5Ma高性能軍機用超動力引射沖壓發動機（SERJ）研究工作。ERJ和SERJ為火箭/亞燃沖壓組合動力發動機，主要目標是解決沖壓發動機無法自主起飛的問題。

20世紀60年代初，美國海軍提出了一項超燃沖壓發動機導彈（SCRAM）計劃，旨在研制一種小型艦空導彈，由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室全面負責其推進系統的研究工作，在雙模態超燃沖壓發動機方面取得了顯著進展。后來，研究人員又著手研究使用常規碳氫燃料的雙燃燒室沖壓發動機（DCR），在進氣道、亞聲速燃燒室和超聲速燃燒室的結構與匹配等方面也取得了一系列的研究成果。

以上研究成果為20世紀末RBCC研究工作的再次興起奠定了基礎。1986年，美國啟動國家空天飛機計劃（NASP），由國防預先研究計劃局（DARPA）領導，國防部和NASA聯合實施。該計劃旨在研發一種單級入軌的航天運載器，徹底改變航天運輸方式，而相對于火箭動力運載器，該運載器可大幅降低航天發射的成本，在此計劃推動下，吸氣式高超聲速技術研究取得了顯著進展。該計劃之后，組合動力研究進入快速發展階段。

二、20世紀末至21世紀初期

20世紀90年代，NASA啟動先進空間運輸計劃（ASTP），旨在研究單級入軌技術，提高第三代可重復使用空間飛行器的性能，降低發射和維修費用，實現航天運輸班機化。該計劃設想的第三代可重復使用運載器Spaceliner 100擬采用RBCC動力系統。在該計劃的帶動下，掀起了RBCC組合動力系統的研究熱潮，多家公司和研究機構開展了大量研究并圍繞RBCC模型樣機研制工作展開了激烈的競爭。

美國火箭達因（Rocketdyne）公司、航空噴氣（Aerojet）公司、NASA格倫研究中心等分別提出了不同的發動機方案。其中，火箭達因公司設計了一種RBCC發動機——A5發動機方案，并基于A5發動機模型在通用應用科學實驗室（GASL/Leg5）開展了大量試驗。NASA格倫研究中心研制了一種以RBCC為動力、垂直起飛、水平著陸、單級入軌的飛行器——GTX。航空噴氣公司提出了支板引射火箭沖壓發動機（Strutjet）方案。NASA和美國空軍針對以上方案開展了大量試驗驗證，試驗速度范圍為0～8Ma，涵蓋引射模態、亞燃模態和雙模態。

21世紀初，NASA開始實施下一代發射技術（NGLT）計劃，旨在通過開展RBCC動力系統研究，研發出能夠同時適用于火箭和吸氣式高超聲速飛行器的推進系統。其中，X-43B高超聲速演示器旨在演示RBCC動力系統推進模式，研究工作包線，驗證系統的可行性。在該計劃下，航空噴氣公司以Strutjet發動機為基礎，設計了吸氣式火箭集成系統測試（ISTAR）發動機。

X-43B項目終止后，NASA與美國空軍聯合啟動了可重復使用組合循環飛行驗證器計劃（RCCFD），旨在演示驗證組合循環推進技術，ISTAR發動機也成為該計劃的一部分。2001年3月19日，馬歇爾空間飛行中心ASTP辦公室促成火箭動力公司、航空噴氣公司和普拉特?惠特尼公司（普?惠公司）組成一個聯合研究機構——RBCC聯盟，資助其繼續開展ISTAR發動機的詳細設計工作。ISTAR發動機在Strutjet發動機的基礎上，加入了普?惠公司的煤油燃燒技術，逐步將RBCC技術的研究重點從關鍵技術攻關向工程化樣機轉變，并開始進行部件級別的詳細研究。

NASA進行甄選后，最終選定航空噴氣公司的ISTAR發動機作為RBCC推進系統研究的基礎，設計條件為：從B-52轟炸機上以0.7Ma的速度發射，經歷引射模態、沖壓模態到達超燃沖壓發動機工作模態（7Ma），最后滑翔降落，沖壓模態接力點為3.5Ma，5Ma時轉為超燃模態。NASA格倫研究中心對該型發動機進行了大量試驗研究。

隨后，NASA開始實施組合循環發動機部件（CCEC）發展計劃，對采用RBCC發動機的垂直起飛、水平著陸二級入軌軍用空天飛行器Sentinel，以及采用TBCC發動機的水平起飛、水平著陸二級入軌空天飛行器Quicksat進行了方案對比評估。相關研究成果為后續實施陸地強制應用與發射預研計劃（FALCON計劃）提供了理論依據。

三、21世紀初期至今

2003年，美國空軍和DARPA開始實施FALCON計劃，旨在研發能夠實現全球快速到達目標的高超聲速飛行技術。FALCON計劃的核心目標是研發由渦輪組合循環發動機推進的、能從普通機場跑道起飛的高超聲速巡航飛行器（HCV），中間成果的應用目標是研發從美國本土發射直接快速精確打擊全球任意目標的武器。其中，FALCON地面技術驗證項目（FaCET）旨在開發和驗證采用可重復使用、燃用碳氫燃料TBCC發動機的推進系統能夠在幾個模式間轉換。

隨后，美國空軍在完全可重復使用進入太空技術（FAST）預研計劃下，分別對以渦輪發動機、火箭、RBCC、TBCC為動力裝置的兩級入軌可重復使用運載器（TSTO）飛行器，針對體積和空載質量等參數進行了詳細分析。2008年，美國空軍委托Astrox公司對8種TSTO飛行器的構型進行了比較。同年，美國國防部發布高超聲速技術發展路線圖，明確提出了TSTO飛行器發展預研計劃。該飛行器以可重復使用渦噴發動機或TBCC發動機為第一級動力裝置，以可重復使用RBCC發動機為第二級動力裝置，使美國進入太空的能力由一次性垂直“按計劃發射”轉換為像飛機一樣的“按要求發射”。

2016年8月12日，DARPA戰術技術辦公室（TTO）在美國政府聯邦商機（fbo）網站上發布了先進全速域發動機（AFRE）項目的廣泛機構通告（BAA）。AFRE項目是DARPA在2016年2月披露的一個項目，以未來高超聲速情報、監視與偵察（ISR）飛機為應用背景，旨在利用“現貨渦輪發動機＋寬速域雙模沖壓發動機”方案，完成全尺寸TBCC模態轉換的地面集成驗證，研究確立高超聲速飛機TBCC推進系統工程化的可行性。該推進系統可在0到5Ma+之間的全速域范圍實現連續無縫運行，以確保快速響應的高超聲速飛機在拒止環境下完成ISR任務。DARPA在其公布的2017財年預算申請提案中為該項目編列了900萬美元的經費，用于啟動初步設計工作。

美國組合動力技術軍民融合發展模式分析

通過梳理美國組合動力技術的研究進展，可以看出，美國的組合動力技術研究體系相對完善，是一個層級分明、結構完善、軍民一體的綜合體系：從頂層制定發展計劃，在廣泛合作中開展競爭，統籌資源，集中優勢，避免重復研究和浪費，推動各項研究工作有序開展。

一、頂層計劃，統籌管理，確保國家戰略落實

美國于20世紀50年代提出了組合動力發動機的概念，在NASP計劃之后進入快速發展階段。通過梳理美國組合動力技術研究進展，可以看出，在組合動力技術研究方面，美國從國家層面制定研究計劃，集中各方的研究力量進行具體實施；研究團隊包括政府的軍用部門和民用部門、軍兵種、宇航和推進工業的合同承包商、部分高校及研究機構等。從頂層制定適當的研究規劃，合理安排研究進度，為開展技術研發提供強有力的組織保障；在研究過程中，集合國家各層面的力量，分階段開展研究和驗證試驗，體現美國航天領域的整體技術水平，注重技術儲備，為組合動力技術的長遠發展奠定了基礎。

二、加強合作，強強聯合，共同推進技術發展

美國幾乎每個組合動力系統的研發都是由多家單位聯合開展的，合作開展研究工作的方式也是多種多樣的。美國國防部和軍兵種對NASA所研究的相關技術進行辨識后，認為該技術有軍事應用前景的，可與NASA簽訂合同，進行共同開發，對該技術在軍事領域的應用情況進行有效驗證，反之亦然。在每項具體計劃下，NASA和DARPA都會發布招標通告，具備研究能力的商業公司以參與投標的形式進行招標談判。NASA和DARPA確定中標者（一個或多個）后，與其形成分擔費用的政府—企業伙伴關系，簽訂一定期限的研究合同。各承研單位根據自身的優勢和特長承擔相關研究工作。通過集合優勢資源，加強各部門和單位之間的合作，可以有效地節省研究成本，共同推動研究進展。

三、開展競爭，打破壟斷，激發各方研究潛能

美國國防部在經費允許的范圍內，盡可能地維持國防工業的競爭態勢，以長期、全面地保持國防工業在武器裝備研制、生產、保障方面的全套能力，以及多個廠商之間的競爭活力。各競爭單位或團隊根據美國國防部或NASA的需求提出不同的研究方案，在進行可行性、性價比等系列評估后，國防部或NASA最終選擇最優的一家或多家單位進行研發。例如，NASA每年花費近1.3億美元開展先進推進系統的研究工作，針對RBCC動力系統和TBCC動力系統，在商業公司之間開展研制競賽，以選擇最佳的動力裝置。在廣泛的合作中積極開展競爭，可以有效打破壟斷體制，激發各研究機構的潛能，加快推進研究進展。

關于我國組合動力技術軍民融合發展途徑的思考

近年來，隨著新軍事變革的進程不斷加快，研究具有更寬適應范圍、更高綜合性能的新型動力系統成為航天領域發展的必然要求，組合動力技術已經成為動力技術研究的前沿和熱點。通過分析美國組合動力技術發展現狀，結合我國發展實際，提出以下發展建議：

一、抓住歷史機遇期，頂層謀劃發展計劃，吸納軍民優勢技術力量和資本投入，推動我國航天運輸系統能力提升

航天運輸系統作為進入空間、利用空間的基礎和前提，決定著一個國家進出空間的能力，以及未來可持續發展的潛力，是開發利用外層空間、維護國家空間權益、形成和保持空間威懾的戰略基礎。航天運輸系統的能力、技術水平，以及以其為基礎開展的重大航天活動，是一個國家航天實力和水平的重要體現。要滿足未來高頻率、低成本的航天運輸任務需求，需要發展準備時間短、運行成本低、飛行包線寬、環境適應性強的先進航天運輸系統。組合動力系統可以大大拓寬飛行器的飛行高度范圍和速度包線，實現重復使用天地往返及水平起降入軌飛行，縮短航天運輸準備時間，降低航天運輸成本，為實現高頻率、低成本航天運輸奠定基礎。鑒于以上發展需求，以美國為代表的主要航天國家先后提出了新的空間運輸計劃，高度重視高超聲速組合動力系統研發工作，并取得了一定的研究進展。

航天發展，動力先行。在高超聲速飛行時代即將到來之際，宇宙深度探索、低成本太空旅游、高超聲速商業飛行等都為人類勾勒出了更為美好的藍圖，但同時也對未來航天動力系統提出了更高的性能要求。在創新驅動發展戰略、軍民融合發展戰略等政策深入推進，以及新一輪科技產業革命呼之欲出的歷史機遇期，為滿足未來可重復使用天地往返運輸系統的發展要求，有必要緊密跟蹤國外組合循環推進系統的研究動態和最新進展，系統思考，明確思路，頂層謀劃航天技術未來發展，結合軍、民領域對組合動力技術的發展需求，制定相應的研究計劃，面向社會發布項目方案需求通告，廣泛吸納在動力系統方面具有研發優勢的軍工企業和民營企業，在政策和經費上給予支持，鼓勵民營資本參與相關技術研發，實現資金合理利用，產生協同帶動效應，共同推動我國組合動力相關關鍵技術研究取得突破。

二、充分利用現有科研資源，加強軍民合作和資源共享，建立有效機制，推進組合動力技術發展

美國十分重視組合動力及相關應用技術研究，研究層面涉及飛行器總體、發動機系統，以及相關基礎關鍵技術等，研究單位包括政府軍用和民用部門、商業公司及科研院所等。總體上來說，美國組合動力技術研究實施的是以軍技民用、民技軍用為核心的軍民一體發展戰略。美國國防部和NASA從政府層面分別針對軍用和民用領域飛行器的發展需求，提出先進推進系統發展計劃，并充分利用高校的科研資源進行基礎理論研究，同時積極吸納有強大研究基礎和技術實力的商業公司參與研究，吸收和運用民用科技基礎研究成果及資源，發揮軍工企業在運行和生產方面的優勢作用，有效增強技術儲備，提高研制效率，降低成本和風險，加快推進研究進展。

近年來，在信息、制造、能源、材料等前沿科技領域，基礎及支撐技術的軍民兩用屬性日益凸顯。在國際航天領域加快向商業化、全球化趨勢發展的大背景下，國防科技與民用科技深度融合的空間也愈加廣闊。當前，我國大力推行軍民融合發展戰略，為組合動力技術的軍民融合發展提供了良好的政策環境。因此，應積極探索開展交流合作，創新合作模式，在頂層政策與計劃的牽引下，建立軍方、科研院所、高校，以及民營企業之間的合作開發機制，建立開放型軍民兩用技術協同創新體系，充分調動和利用各單位和部門的技術優勢，加強技術交流和資源共享，根據項目研制和型號任務具體需求，組織專業隊伍開展協同攻關，有效彌補組合動力基礎研究領域存在的差距，共同推動我國先進動力技術研究水平的提升。

三、結合實際發展需求，利用軍民領域已有技術基礎，科學制定研究方案，分階段穩步推進關鍵技術驗證

近年來，伴隨著世界各國對空間開發利用的逐步擴展和深入，現有的航天運輸系統在技術性能上已無法適應未來“班機化”的航天運輸應用需求，發展技術性能更為先進、可重復使用的航天運輸系統勢在必行。發展可重復使用運載火箭，在一定程度上可使運載器單位有效載荷的運載成本隨發射次數的增加而降低。美國SpaceX公司率先完成了可重復使用運載火箭一子級的回收試驗，開創了火箭垂直著陸回收的重復使用方式，是在可重復使用航天運輸技術領域的有益探索。組合動力技術的應用，可以使未來航天運輸實現水平起降、重復使用、低成本和高頻率運營，是實現航天運輸系統重復使用的一種更先進的技術路徑，將有助于未來重復使用航天運輸系統能力的全面提升。

然而，目前各種組合循環發動機的推進方案雖各具特點和優勢，但又都存在一定的技術瓶頸或性能短板。例如，TBCC系統可實現飛行器水平起降，發動機比沖性能高，但飛行速域和空域受限，只能在大氣層范圍內工作，因此，只能作為未來可重復使用航天運輸系統的一子級使用；RBCC系統理論上可實現飛行器水平起降，以及全空域、全速域飛行，而且系統集成度高、結構較為簡單，但目前低速引射火箭模態推力增益較低，使得RBCC動力飛行器零速水平起飛難度較大，成為目前制約RBCC動力技術在天地往返領域應用的重要技術難題之一。

因此，在開展組合循環推進系統方案研究的過程中，應綜合考量任務需求、各種技術的特點，以及技術的發展預期等多種因素，科學合理地開展相應的組合動力技術研究。例如，對于遠程民用運輸機、高超聲速客機等應用需求，飛行器全程在大氣層內飛行，需要具備可靠水平起降、低成本運營等能力，可以優先選擇TBCC等系統作為飛行器的動力系統方案，在具備技術研究和試驗能力的民營企業和軍工企業內廣泛征集方案，充分調研各單位已有技術基礎和具備的研究能力，推進概念分析、基礎研究、工程方案設計和演示驗證試驗等各個階段的工作有序開展。

結束語

人類未來航天運輸活動將向班機化、低成本化、高可靠性等方向發展，這將對航天動力系統提出更高的技術要求。組合動力技術是未來先進航天動力技術的重要發展方向，其能夠針對不同的飛行階段，采取最優的動力推進方式，最大限度地發揮不同動力的性能優勢，大幅拓寬飛行器的飛行高度范圍和速度包線，降低航天運輸成本，具有十分廣闊的應用前景，在未來軍事、政治和經濟活動中必將發揮重要的作用。