國外并聯式渦輪基組合循環發動機技術發展途徑淺析

陳 博，桂 豐，李 茜，康玉東

(1.中國人民解放軍空軍裝備部，北京100843；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

高超聲速飛行器能夠以高超聲速在稠密大氣層、臨近空間做巡航飛行和跨域飛行，具有全球快速到達、突破導彈防御系統、機動靈敏打擊的戰略威懾和實戰能力，將對未來戰爭形態產生深遠影響。TBCC發動機實現了渦輪發動機與沖壓發動機兩種動力形式結構上的集成和工作過程上的有機結合，使渦輪發動機和沖壓發動機各自在適合自己工作的區域內發揮優勢[1]，是配裝高超聲速飛行器的理想動力。長期以來，TBCC發動機一直是國外發展高超聲速飛行器的主要動力形式之一，并對其進行了大量的研究，取得了豐富的成果。本文通過梳理以美國為代表的典型并聯式TBCC發動機研發計劃，分析得出了美國并聯式TBCC發動機技術發展途徑，以期為我國并聯式TBCC發動機技術研究提供借鑒和參考。

2 并聯式TBCC發動機技術優勢

并聯式TBCC發動機是由高速渦輪基和沖壓發動機通過并排等方式組合而成，其渦輪與沖壓通道相互獨立，組合進氣道與可調噴管部分結構共用，如圖1所示。其中，高速渦輪基可實現水平起降和與沖壓發動機接力，可重復使用的沖壓發動機可實現高超聲速巡航和機動飛行。

圖1 并聯式TBCC發動機結構示意圖Fig.1 Structure of over/under TBCC engine

并聯式TBCC發動機集合了渦輪發動機和沖壓發動機的優點，有著較高的比沖(圖2)和寬廣的飛行包線，可以覆蓋從地面起飛到高馬赫數巡航全包線工作的需求，具有可常規水平起降、重復使用、耐久性高、安全性好、可靠性高、可使用普通航空燃料、用途廣泛且可實現軍民兩用等技術優勢。同時，由于雙通道相對獨立，因而研制難度相對較小，研制周期較短，可快速形成軍民兩用的組合動力產品，具有很好的工程應用前景。

圖2 不同動力形式使用碳氫和氫燃料的比沖[2]Fig.2 Specific impulse of different propulsion system using hydrocarbon and hydrogen fuel

3 并聯式TBCC發動機面臨的技術挑戰

高超聲速飛行器要實現在寬廣飛行包線內工作，對并聯式TBCC發動機低速段和高速段的動力性能提出了很高要求。對于渦輪發動機，應提供足夠好的安裝性能來滿足低速段動力要求，同時兼顧跨聲速推力要求，保證飛行器加速時發動機提供足夠的推力，以使發動機和飛行器都有足夠的裕度，以便用最小的燃油消耗完成加速任務。對于沖壓發動機，應提供足夠大的推力和長壽命來滿足高速段動力要求；同時，保證雙通道發動機之間及其與進排氣之間高效匹配和協同控制，以便渦輪與沖壓發動機形成接力；此外，并聯式TBCC發動機的能源系統、熱管理系統、控制系統及地面試驗均面臨巨大的技術挑戰。并聯式TBCC發動機要滿足飛行器使用需求，必須解決以下主要技術問題：

(1)跨聲速推力不足問題。主要是指并聯式TBCC發動機迎風面積大，給飛行器帶來較大阻力，不利于飛行器實現快速跨聲速。

(2)寬范圍高效進排氣問題。主要是指寬范圍工作要求進排氣系統結構可調，且二者高效匹配與協同控制。

(3)模態轉換過程流量和推力匹配問題。主要是指模態轉換過程會面臨進-發匹配、推力陷阱和推阻平衡等問題。

(4)能源生成與管理問題。主要是指高速飛行過程中，將存在高速高溫條件下能源生產、渦輪發動機能源與其他能源轉換等問題。

(5)高馬赫數下熱管理問題。主要是指高馬赫數飛行將面臨渦輪關機過程封存熱、成附件和外部管路熱防護、飛發熱源傳遞等問題。

(6)寬范圍可重復使用沖壓發動機問題。主要包括大尺寸組織燃燒、燃料噴射與混合、冷卻等問題。

(7)多動力單元模態轉換及控制問題。主要是指不同動力模式轉換過程中，將存在多變量之間耦合作用、不同運行狀態控制模式無擾動切換、不同控制規律實現方法等問題。

(8)全尺寸TBCC發動機地面試驗問題。主要是指設備氣源能力不足、試驗方法欠缺和測試技術薄弱等問題。

梳理并聯式TBCC發動機面臨的技術挑戰，可歸納為渦輪基技術、沖壓發動機技術和組合技術等三大類，如圖3所示。其中，能源生成與管理、高馬赫數下熱管理等需要通過飛發一體化技術研究來解決。

圖3 并聯式TBCC發動機面臨的主要技術問題Fig.3 The main technology problems of over/under TBCC engine

4 美國典型并聯式TBCC發動機研究項目

美國上世紀50年代就開始了對并聯式TBCC發動機的研究，主要圍繞高速渦輪基技術、沖壓發動機技術和組合技術制定了一系列研究計劃，持續開展了大量的研究工作。

4.1 高速渦輪基技術

美國在高速渦輪基技術方面開展了革新渦輪加速器(RTA)計劃、高速渦輪發動機驗證(HiSTED)計劃、遠程超聲速渦輪發動機(STELR)計劃和射流預冷(MIPCC)計劃[3]。

4.1.1 RTA計劃

2001年，NASA、GE公司和艾利遜先進技術發展公司開始聯合開發RTA。RTA發動機(圖4)是由變循環渦扇發動機和沖壓發動機組合的串聯式渦輪沖壓組合發動機，作為配裝兩級入軌飛行器的TBCC發動機低速段動力，研究重點是通過采用先進技術發展馬赫數4.0+且維修性和操作性大大改善的推進系統。

圖4 RTA發動機結構圖Fig.4 Structure of RTA engine

在RTA計劃中，GE公司利用了成熟的YF120發動機的核心機，再輔以新的風扇、核心驅動風扇級、加力/沖壓超級燃燒室、軸對稱噴管和可變面積旁路引射裝置(VABI)[4]。由于RTA發動機要求在馬赫數4.0+工作時渦輪發動機不關機，對所有部件工作范圍和能力要求太高，技術難度太大，該計劃于2005年中止。

4.1.2 HiSTED計劃

HiSTED計劃是美國國防預先研究計劃局(DARPA)和美國空軍在VAATE計劃下聯合實現的一項研究項目，旨在設計、制造和驗證一種高馬赫數、中等壓比的短壽命渦輪發動機，為多種武器平臺提供實現馬赫數4.0以上飛行的動力，使到達目標的時間減少80%。針對高速渦輪發動機面臨的高溫挑戰，HiSTED計劃重點突破先進的冷卻技術[5]。

在HiSTED計劃的支持下，羅·羅公司自由工廠和威廉姆斯國際公司分別開發了各自的HiSTED驗證機，其機型分別為XTE18/SL1(代號YJ102R)和XTE88/SL1(代號 WJ38-15)。其中，WJ38-15 發動機(圖5)在2011年的地面試驗中完成了馬赫數2.0～2.5及馬赫數3.2下的運轉。2013年，作為NASA并聯式TBCC發動機的渦輪基，在風洞中開展了組合動力模態轉換技術驗證。

圖5 WJ38-15高速渦輪發動機Fig.5 Williams WJ38-15 high speed turbine engine

4.1.3 STELR計劃

STELR計劃是HiSTED計劃的后續計劃，旨在為馬赫數3.0+的武器和飛行器(包括空中發射巡航導彈、無人飛行器等)提供動力。在該計劃下，羅·羅公司自由工廠和威廉姆斯國際公司分別對各自的高速渦輪發動機進行試驗。2015年9月，自由工廠在地面試驗中實現了以馬赫數2.0～2.5運行2 h，后續逐步開展了馬赫數2.5～3.2的地面試驗。STELR發動機的最終設計目標是以馬赫數3.2的速度飛行1 h，或是航程超過 3 200 km[6]。

HiSTED計劃和STELR計劃開發的高速渦輪發動機技術，彌補了傳統渦輪發動機和高速雙模態超燃沖壓發動機之間的鴻溝，搭起了亞聲速和超聲速推進之間的橋梁[7]。

4.1.4MIPCC計劃

射流預冷技術也是擴展發動機使用包線的重要技術手段。美國在射流預冷技術上的研發以MSE技術應用公司的MIPCC為代表，通過在F100發動機前加裝MIPCC系統開展了試驗(圖6)。試驗結果表明，射流預冷技術使發動機在海平面的推力提高約1倍，具備將工作馬赫數擴展至3.5的能力[8]。

圖6 F100發動機射流預冷試驗照片Fig.6 The MIPCC test of F100

4.2 沖壓發動機技術

沖壓發動機是TBCC發動機高速段工作的推進單元。典型的沖壓發動機計劃包括X-51A計劃和MSCC(中等尺寸關鍵部件)計劃等。

4.2.1 X-51A計劃

X-51A計劃由美國空軍和DARPA聯合開展，旨在通過飛行試驗來驗證碳氫燃料超燃沖壓發動機的可行性[9]。2010年5月到2013年5月，X-51A共進行了4次飛行試驗，并在最后一次試驗中取得成功。驗證機實現了210 s(含助推時間)的有動力飛行，最大飛行速度達馬赫數5.1，飛行距離超過426 km，實現了超燃沖壓發動機研制的重要里程碑，具備了從試驗研究轉向工程應用的基本條件。

4.2.2 MSCC計劃

繼X-51A計劃之后，美國空軍研究實驗室開始關注更大尺寸的推進系統，提出了MSCC計劃，研究的超燃沖壓發動機的進氣流量是X-51A的10倍。其中，由AEDC負責的速度接力、加速和巡航狀態的試驗，旨在研究第一代較大尺寸超燃沖壓發動機的性能、操作性及熱管理，同時加深對超燃沖壓發動機物理現象的理解，驗證并改進部件設計方法、分析工具及地面試驗技術[10]。

4.3 組合技術

組合技術主要指組合進排氣及模態轉換技術。組合技術必須協同調節進排氣系統和發動機工作特性，保障組合發動機的推力平穩過渡。針對該項技術，DARPA和美國空軍實施了獵鷹組合循環發動機技術(FaCET)、模態轉換(MoTr)和先進全速域發動機(AFRE)三個計劃。

4.3.1 FaCET計劃

FaCET計劃由DAPRA和美國空軍聯合發起，重點研究推進系統的一體化設計、燃燒室技術和模態轉換技術。該計劃第一階段進行了縮尺進氣道和燃燒室等部件試驗；第二階段于2009年3月進行了集成縮尺進氣道、燃燒室、噴管的自由射流試驗(圖7)[2，11]，試驗中盡管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/超燃沖壓發動機的一體化試驗奠定了基礎，使并聯式TBCC發動機部件集成技術得到了初步驗證。

圖7 FaCET計劃的并聯式TBCC發動機及自由射流試驗Fig.7 The over/under TBCC engine in FaCET program and its freejet test

4.3.2 MoTr計劃

作為FaCET計劃的后續項目，2009年美國啟動了MoTr計劃，旨在對馬赫數0～6.0的吸氣式碳氫燃料推進系統進行地面驗證。MoTr計劃包括兩個階段，第一階段進行了試驗臺改裝，并對燃料冷卻的雙模態沖壓發動機燃燒室及燃油與控制系統進行了初步設計；第二階段進行了縮尺試驗件設計、加工和試驗，成功實現了在馬赫數3.0、4.0和6.0三種試驗條件下的點火和穩定燃燒[12]。該計劃并未完成全尺寸的地面試驗，但為并聯式TBCC發動機轉入工程應用奠定了基礎。

4.3.3 AFRE計劃

2016年8 月，DARPA正式公布了AFRE計劃的招標預告文件，旨在研發和地面驗證一種能在馬赫數0～5.0+范圍內無縫工作的可重復使用、碳氫燃料、全尺寸TBCC發動機[13]。AFRE計劃是DARPA又一次試圖完成全尺寸并聯式TBCC發動機地面模態轉換演示驗證的計劃，其第一階段進行系統設計、縮尺及大尺寸部件演示驗證，第二階段進行低速通道和高速通道的大尺寸直連和自由射流試驗。AFRE組合發動機組成結構如圖8所示。

圖8 AFRE組合發動機組成結構示意圖Fig.8 Structure of AFRE

在AFRE計劃中，DARPA明確提出采用現有渦輪發動機與雙模態沖壓發動機方案，并采用射流預冷技術對渦輪發動機進行包線擴展，在馬赫數1.5～3.0完成模態轉換。為提供更明確的牽引，DARPA在同步主導高超聲速飛行器概念研究，要求項目承研方將飛行器的需求整合到AFRE系統的設計過程中，確保項目地面演示驗證所研制的推進系統能直接支撐未來高超聲速飛行器研制。2017年，AFRE計劃合同分別授予洛克達因公司和ATK公司，這兩家公司選擇的飛行器設計方分別為洛馬公司和波音公司。

5 美國并聯式TBCC發動機技術發展途徑

5.1 發展路線

通過跟蹤美國典型并聯式TBCC發動機研發計劃可看出，美國并聯式TBCC發動機的研究主要分為高速渦輪基技術、沖壓發動機技術和組合技術三個方面(圖9)。其中，高速渦輪基技術研究旨在拓展渦輪發動機工作馬赫數上限，提高渦輪發動機高馬赫數工作能力，其中包括串聯式TBCC發動機技術(RTA計劃)、低壓比渦輪發動機技術(HiSTED計劃和STLER計劃)及射流預冷擴包線技術(MIPCC計劃)三種途徑；沖壓發動機技術方面，研究重點是拓展沖壓發動機工作馬赫數下限，發展可與高速渦輪發動機組合的中/大尺度沖壓發動機(X-51A計劃、MSCC計劃)；通過組合技術研究(FaCET計劃、MoTr計劃和AFRE計劃)，掌握渦輪與沖壓雙通道并聯的組合進排氣與模態轉換技術，實現并聯式TBCC發動機的系統集成與工程應用。

圖9 美國并聯式TBCC發動機技術發展路線圖Fig.9 Technology development approach of American over/under TBCC

5.2 技術發展分析

對于并聯式TBCC發動機，目前雙模態沖壓發動機無法在馬赫數4.0以下提供足夠推力，而現有渦輪發動機的最高工作速度通常在馬赫數2.5以下，因而實現渦輪與沖壓發動機在速度上的有效接力，是研制并聯式TBCC發動機必須解決的首要問題[14]。從美國并聯式TBCC發動機技術發展研究看，高速段沖壓發動機技術是難點，低速段渦輪基技術和模態轉換技術是重點。雖然并聯式TBCC發動機的雙模態沖壓發動機技術也在點火、火焰穩定、防熱結構和降低起動速度等關鍵技術上取得了突破，但還需要進行更深入的研究。盡管美國先后通過HiSTED、STELR等計劃致力于發展高速渦輪發動機，拓展其工作馬赫數到3.0+，但由于瓶頸技術的復雜性和風險，目前尚未取得關鍵性突破。而射流預冷技術的不斷成熟，在短期內具有更好的技術可行性和經濟可承受性，目前被選為擴展渦輪發動機包線的主要技術手段，有利于當前對組合技術的驗證和開發[15]。

但不可否認，高速渦輪發動機是未來發展的必然趨勢，其對并聯式TBCC發動機乃至飛行器在推力、速域和燃油效率等性能方面的提升具有不可替代的作用。因此在采用射流預冷技術完成組合技術驗證與開發的同時，應繼續開發并聯式TBCC發動機用高速渦輪發動機技術。而組合技術因涉及低速段和高速段動力多個系統的復雜集成，將是并聯式TBCC發動機發展的關鍵，也是當前重點關注和亟待突破的關鍵技術。

6 啟示

通過梳理并分析美國并聯式TBCC發動機技術發展途徑，結合我國目前的并聯式TBCC發動機技術研究現狀，為更好地推進我國并聯式TBCC發動機研究，提出以下建議：

(1)采用射流預冷擴展渦輪基包線，是短期內實現性較好的組合技術驗證途徑。

對于并聯式TBCC發動機，核心是解決低速段渦輪基工作包線向上拓展的問題。新研高速渦輪基研究周期長，近期內無法快速完成并聯式TBCC發動機研制。采用射流預冷技術擴展現有渦輪發動機工作包線與沖壓組合形成接力，完成模態轉換等組合技術驗證，提升組合技術成熟度，是短期內實現性較好的方案。同時，并行開展新研高速渦輪發動機技術研究，為后續型號發展奠定技術基礎。

(2)必須基于飛發一體化，聯合開展并聯式TBCC發動機技術研究與驗證。

并聯式TBCC發動機作為高度集成推進系統，其結構和性能與飛行器耦合緊密，必須從一體化角度開展研究。另外，并聯式TBCC發動機研制依托于各子系統關鍵技術的研究成果，而各關鍵技術攻關與驗證又與飛發關聯強烈，必須基于飛發一體化開展聯合研究，重視飛行器的牽引和約束，在提高關鍵技術驗證的實用性和準確性的條件下分步驗證關鍵技術，逐步提升關鍵技術成熟度。

(3)必須重視基礎研究與試驗驗證，持續加快關鍵設備改造和建設工作。

與常規動力裝置相比，并聯式TBCC發動機系統集成復雜，同時工作馬赫數更高、工作范圍更寬，傳統試驗設備和測試方法已不適用，必須持續加快對現有并聯式TBCC發動機基礎試驗設施的升級和建立關鍵的地面試驗設施，特別是變馬赫數試驗臺及全尺寸地面試驗設備，提升地面試驗能力，確保預研攻關和后續工程研制階段順利開展。