火箭基組合動力研究進展與關鍵技術

曾 家，黃 輝，朱平平，王鐵巖，王浩蘇

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

火箭基組合循環動力(Rocket Based Combin-ed Cycle， RBCC)將火箭發動機和吸氣式發動機有機地組合在一起，在不同的馬赫數和高度范圍內保持較高的推重比及比沖，在滿足天地往返需求的同時，能夠大幅降低運輸成本，同時還可用于高速武器推進，是未來可重復使用天地往返運輸和臨近空間飛行器的最有潛力的動力方案之一，已成為航天技術發展的前沿。國外對RBCC的研究開始于20世紀50年代，并在近年來逐漸加快研究步伐。截至目前，美國、俄羅斯、德國、法國、澳大利亞和日本等國家先后提出了相應的研究計劃，并開展了大量的地面、飛行試驗研究。本文簡要介紹了RBCC研究的現狀，分析了RBCC的應用前景、關鍵技術和需要重視并亟待解決的若干問題，針對RBCC的應用方向和發展途徑提出了建議。

1 火箭基組合推進基本概念

火箭發動機的推重比較高，而比沖較低；吸氣式發動機的比沖較高，但推重比較低。火箭基組合循環推進系統將二者有機結合在一個流道中，整合了火箭發動機、亞燃沖壓發動機和超燃沖壓發動機，因此能夠同時滿足加速及巡航的要求，兼顧高效性和經濟性。

作為兩級入軌第一級飛行器或自加速高速巡航飛行器的推進系統，RBCC 發動機可以在飛行馬赫數0～8 ，甚至更寬(采用氫燃料)的范圍內工作。因此，RBCC 發動機隨著飛行馬赫數的提高將分別經歷引射模態、亞燃模態、超燃模態和純火箭模態(如圖1所示)；同時在亞燃和超燃模態，若火箭起火焰穩定和增加推力的作用，此時 RBCC 發動工作在火箭沖壓模態。基于深度可調火箭，RBCC發動機推力可寬范圍調節，實現地面零速起動并加速入軌；飛行過程中可根據任務剖面進行模態靈活組合，火箭適時工作，可作為穩定火源，拓寬沖壓燃燒室的工作邊界范圍，使飛行器具備更強的機動能力。

圖1 RBCC發動機不同工作模態[8]Fig.1 Working models of RBCC engine[8]

典型的RBCC是將火箭與雙模態沖壓發動機有機結合形成的組合循環動力系統，主要由沖壓流動通道和嵌于流道內的火箭發動機構成。依據推進過程中發揮的功用不同，RBCC發動機的流動通道分為進氣道、 混合段、燃燒室和噴管。進氣道主要功能是捕獲來流空氣，在超聲速情況下對來流進行有效壓縮，提高流動靜壓，為燃燒室內的燃燒提供氧化劑和足夠高的燃燒室壓強。進氣道可以依據飛行器總體，采用不同形式。混合段主要功能在于使火箭發動機一次主流與引入的二次空氣流混合。就目前的設計特點來看，如果是火箭發動機燃氣與引射進入的空氣充分混合，然后進行燃燒，則混合段應取等截面設計；如果考慮對引射空氣進行補燃，使空氣一邊燃燒、一邊與火箭發動機燃氣進行混合，則混合段應采取擴張型面。在燃燒室和噴管流道設計中，若亞燃沖壓模態采用收擴型幾何流道或熱力喉道，超燃沖壓模態可采用擴張型面。

2 國內外研究動態

RBCC最早在美國得到廣泛研究，20世紀90年代日本也開始積極從事氫燃料RBCC的研究，歐洲同期也對RBCC進行了一定程度的探索。

美國在吸氣式高速推進方面起著重要的技術推進作用，受美國高超聲速計劃的牽引，其組合動力技術發展大致可分為3個重要階段。

早期(1950—1979年)：Marquardt公司在美國空軍的支持下，對Hyperjet發動機、增壓引射沖壓發動機(SERJ)等RBCC方案進行了設計、分析，并開展了不同馬赫數下的地面試驗和部分飛行試驗，為后續的RBCC研究奠定了基礎。

中期(1980—2002年)：在進入20世紀80年代后，美國國家航空航天計劃(National Aerospace Plane, NASP)的開展極大地促進了高速吸氣式推進技術的研究，RBCC發動機由于具有全模態和全空域工作的特性，并受到超燃發動機技術發展的支撐，迎來了新一輪研究熱潮。此階段主要有4種代表性的模型樣機，具體情況如表1所示。

表1 美國4型RBCC方案研制概況Tab.1 General situation of four RBCC projects in America

近期：2003年起，美國開始轉向以組合循環發動機為動力的應用開發研究，并將組合發動機部件發展(CCE)計劃列為重點發展目標。此后美國開展了5種軍用兩級入軌飛行器的概念設計，其中的Sentinel兩級入軌飛行器第一級使用RBCC動力，入軌級為純火箭動力，采用了垂直起飛水平降落的天地往返方式。NASA在2012年發布了推進系統技術報告，報告將RBCC和TBCC列為重點開發方向，并計劃在2025年突破所有關鍵技術，在2027年開展基于RBCC的飛行器相關飛行試驗研究，以指導最終可以應用于工程化的飛行器研制。

近年來，美國對RBCC的相關基礎性研究和關鍵技術研究的公開文獻資料明顯減少，其研究計劃必然有所調整和側重。目前，美國已處于進一步的飛行試驗和工程轉型階段，面向具體工程應用設計的RBCC發動機經過了大量的地面試驗，并有了飛行應用的設想。

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)從20世界90年代起開展了天地往返的RBCC方案研究，并從2006年起，成功研制了氫燃料RBCC構型并開展大規模試驗研究，陸續完成引射模態下的直連風洞和亞燃和超燃模態的直連試驗研究，并在2009 年開展了亞聲速到超聲速狀態下引射模態的飛行試驗驗證。當前，日本正在開展以碳氫化合物為燃料的RBCC 發動機研究，計劃在21世紀30年代研制出采用吸氣式/火箭組合發動機作為推進系統的水平起降單級入軌空天飛機。

歐洲對RBCC推進系統的研究主要在未來歐洲空間運輸基礎結構計劃(FESTIP)支持下開展，該計劃進行了可重復使用發射系統概念的研究，其技術開發包括5個方面，即結構、材料、推進、熱管理和空氣動力學。2005年歐洲航天局制定了長期先進推進概念和技術研究計劃( LAPCAT)，主要開展了 RBCC 和 TBCC 組合推進的關鍵技術和飛行器概念設計，分別對煤油和氫燃料的 RBCC 推進系統的一次火箭和支板噴射等關鍵技術開展了研究。針對洲際飛行目標開展了推進系統和飛行器設計的系統分析研究。

國內的北京動力機械研究所、西安航天動力研究所、中科院力學所以及西北工業大學、國防科技大學等高校從21世紀初期開始對RBCC方案進行了大量研究，此時主要集中在組合動力的原理、機理和關鍵技術的突破上，處于應用論證和關鍵技術攻關階段。而近10年國內則在機理和關鍵技術的研究突破之外，還針對RBCC飛行器進行了方案設計與論證，開展了不同方案的地面試驗、樣機研制和飛行試驗驗證，攻克了部分關鍵技術，取得較多成就。總體而言，國內對RBCC的研究起步較晚，在組合發動機模態控制、系統工作穩定性、發動機熱結構技術、系統集成技術和地面驗證技術等方面仍與國外先進技術存在一定的差距。

3 應用前景分析

3.1 潛在應用

RBCC結合了火箭發動機和沖壓發動機的優點，能夠實現自主起飛、入軌和著陸，相比于其他組合動力系統，RBCC的優勢在于：

1)火箭與沖壓優勢互補。按照設想的飛行剖面，對系統進行分析發現：起飛及加速階段，可充分利用火箭發動機加速性好的優點，同時，引射而來的空氣可產生一定的推力，提高發動機比沖。

2)可以寬速域、大空域工作。相對其他組合動力系統而言，由于自帶了火箭發動機需要的氧化劑，有更廣泛的飛行空域，能夠實現自主起飛、入軌和著陸，并兼具加速、機動和巡航能力。

3)冗余穩健的燃燒組織技術。RBCC的沖壓工作階段，火箭發動機如能保持某種 “低工況”，則可在沖壓發動機燃燒室中保持一股 “火炬”，進而起到穩定火焰的作用，增加沖壓發動機工作的穩定性和機動性。

4)與渦輪機相比，火箭發動機推重比較大，尺寸較小，同時RBCC可實現流道一體化和機身/發動機高度融合設計，這就有可能縮小整個動力系統的尺寸。

由此，決定了 RBCC 動力系統潛在的用途有：

(1)單級入軌飛行器動力系統

對于入軌飛行器，RBCC 集合了火箭的高推重比和吸氣式推進裝置高比沖的優勢，結構簡單、空載質量小、可靠性高，有望實現單級入軌的目標。事實上，RBCC概念的提出就來源于對單級入軌飛行器的渴望，先期的各種方案設想均是圍繞單級入軌飛行器研發而誕生的。

(2)兩級入軌飛行器的動力系統

研究表明火箭基組合推進作為兩級入軌的第一級或第二級均具有一定的優勢，是實現兩級入軌天地往返動力系統的最佳選擇之一。

(3)執行全球快速抵達任務的高速飛機

其具體的任務包括快速打擊、實時偵察監視、快速運輸支援等。一架飛行=6的飛機可以在4 h內到達地球上任何一個位置，而高分辨率的軌道衛星則需要至少24 h才能到達目標，這使其具有實時偵察監視方面的價值。相比于超燃沖壓發動機，RBCC發動機具有自主起飛能力，沖壓巡航時能利用 “火炬”提高穩定性等優勢。

(4)臨近空間高速飛行器動力系統

RBCC能實現在20～30 km高度沖壓模態高速巡航和機動變軌，在30 km以上高度利用火箭發動機工作，結合乘波構型氣動布局巡航飛行器，可以以=10的速度實現滑躍式飛行，更適應臨近空間的應用和空天一體化的作戰方式。

針對單級入軌和兩級入軌的應用方向，美國從20世紀開始開展了發動機及飛行器概念方案設計，表2展示了典型的飛行器概念方案。可以看到，兩種入軌方式都采用過二元與軸對稱構型。相比之下，軸對稱構型由于其良好的受力性能及較小的濕潤周長而特別適合作為燃燒室使用，并且可以使飛行器整體結構和容積效率提高。但是，軸對稱構型的進氣道會使發動機模塊化排列中帶來不便。因此，將適合于進氣道的二元構型與適用于燃燒室的軸對稱構型進行有機整合已經成為目前研究的熱點。

表2 典型飛行器概念方案Tab.2 Conceptual scheme of typical RBCC vehicles

3.2 應用分析

由于單級入軌要使飛行器所有的系統部件都帶入預定軌道并返回地球，這使得單級入軌的最終設計方案對結構質量和推進系統性能這些關鍵設計參數有很強的敏感性，帶來巨大的設計和研制風險。因此，工業界及學術界普遍認為，除非未來熱防護等關鍵技術得到重大突破，否則，單級入軌方案在現階段實用的可行性不高。

現階段可實現度較高的幾種應用前景的飛行范圍不同，對發動機和飛行器的需求也不同，詳情見表3。在巡航類飛行任務中，要求飛行器的升阻力比大，發動機比沖高，巡航速度高及結構質量比大；加速類入軌任務中則更關注發動機的有效比沖和凈推力；強機動任務則對發動機在大攻角和側滑角下的適應性和推力加速性要求更高。不同飛行任務對飛行器和RBCC動力的要求差異也會很大，必須依據任務及飛行器而設計，因此產生出不同方案的多種火箭沖壓組合發動機。

表3 不同應用方向的設計需求Tab.3 Requirements for different RBCC vehicles

對兩級入軌任務而言，根據公開文獻，從目前的技術成熟度和使用愿景上分析，RBCC作為可重復使用的助推級動力的可能性更大。日本JAXA目前研究的方案將RBCC發動機置于乘波體飛行器底部，作為助推級使用；NASA的RBCC研究路線圖中也將乘波體RBCC助推飛行器作為最終的飛行驗證機型。針對助推級RBCC發動機在零速起飛時推進劑消耗大、引射模態增益不足等問題，國內外也提出了不同的解決方案。許多方案采用火箭橇、捆綁其他形式火箭助推器或者機械的方法使飛行器達到一定的初速度，然后RBCC起動工作，例如Lazarus和HRST方案，都是采用火箭橇助推的方式將其加速到近跨聲速范圍的=0.7分離；而對于垂直起飛方式如Xcalibur等方案，由于大推重比要求，起飛時將上面火箭級打開提供輔助推力。

4 RBCC關鍵技術

4.1 RBCC發動機關鍵技術

RBCC發動機具有寬包線工作的特點，兼具加速、機動和巡航能力，這就要求發動機在同一流道內實現引射、亞燃、超燃和火箭多模態協調匹配工作，多模態間需穩定高效兼容。發動機寬廣的工作包線帶來了一系列的技術問題和挑戰：多模態流道匹配設計技術、可變結構設計技術、寬來流條件下火焰穩定與燃燒組織技術、模態過渡技術、熱防護與熱管理技術、高馬赫數沖壓發動機技術、先進火箭發動機技術等。

(1)寬來流條件下火焰穩定與燃燒組織技術

RBCC發動機工作包線寬廣，多模態接替工作，其燃燒過程體現出了高度非穩態性、燃燒多分區性與燃燒多尺度性，這使得發動機在寬來流馬赫數條件下的點火、火焰穩定與高效燃燒變得十分困難，為此需尋求冗余穩健的燃燒組織方式和火焰穩定技術，同時需對發動機內精細的燃燒流場結構與動態燃燒過程開展深入詳細的研究，為進一步優化燃燒室設計、組織穩定高效燃燒、控制燃燒釋熱規律提供有效支撐。

(2)流道匹配設計與可變結構設計技術

RBCC發動機在較寬的飛行馬赫數范圍內工作時要實現全彈道飛行狀態下的綜合性能最優，進氣道/尾噴管需與燃燒室協調匹配工作，進氣道應在不同的工作模態下向燃燒室提供優質的流場品質，這是燃燒室組織高效燃燒的必要前提。通過變幾何調節技術和流動控制技術，進氣道與尾噴管的氣流參數能夠更好地適應不同來流參數與燃燒室參數的變化，從而保證 RBCC 發動機在全彈道飛行條件下能穩定可靠工作并保持較優的綜合性能。

RBCC發動機工作于不同模態時燃燒組織方式與燃燒放熱規律將發生變化，在固定幾何燃燒室流道構型下燃料與空氣的燃燒放熱將受到燃燒室流道面積的制約而無法充分釋熱，這將影響發動機在不同模態下的燃燒性能。燃燒室流道幾何構型也需采用變結構技術實時對燃燒室流道面積進行調節，在不同模態下均能實現燃料與空氣的充分燃燒釋熱，從而保證 RBCC 發動機在不同模態下均能以穩定高效的燃燒組織方式工作。

(3)燃燒模態轉換技術

RBCC發動機要求在不同的飛行馬赫數下均能正常穩定工作且保持性能相對較優。隨著飛行馬赫數的增加，發動機必然要經歷模態轉換過程，轉換過程中涉及燃燒模態變化、噴油策略變化、燃燒流場結構變化等眾多問題。為了保證模態轉換過程中發動機仍處于正常穩定工作狀態，模態轉換技術亟待解決。

(4)可重復使用深度可調火箭發動機技術

在RBCC工作的各個模態中，對火箭發動機的性能要求均不同。引射模態，火箭發動機需要具備高室壓、大推重比；沖壓模態，火箭發動機應能維持某種“低工況”進行穩焰；火箭模態入軌時，火箭發動機應有較大高比沖；再入時，火箭發動機需要逐步減小到低工況工作。因此，要完成任務剖面，勢必需要深度可調的火箭發動機。目前發展較為成熟的有Space X公司的Merlin發動機以及針拴發動機，但是仍不具備RBCC的工程應用水平。

(5)適應寬域飛行的沖壓發動機技術

RBCC的沖壓發動機需要在=0～8甚至更高范圍內工作。目前，雙模態超燃沖壓發動機仍是推進系統的重大挑戰之一。X-51A飛行器在2013年的飛行中達到了最高=5.1的飛行速度，是目前為止最長的吸氣式超聲速飛行。然而，若是想要應用于全尺寸的RBCC發動機，還有不小差距，需要拓寬其飛行馬赫數，向下至=2.5以下，向上至=8～12；同時需要滿足大尺度、可重復需求。

4.2 RBCC飛行器關鍵技術

以RBCC為代表的組合動力空天飛行器一般通過單級或兩級入軌的方式實現低成本天地往返運輸。組合動力空天飛行器的任務特點可歸納為:

(1)飛行包線寬，熱/力環境復雜

飛行器從地面水平起飛，直至加速至=6以上，分離高度一般在30 km以上，飛行器的飛行包線寬，在飛行過程中經歷復雜的熱/力環境。

(2)機身尺度大

為了保證載荷的有效入軌，空天飛行器的機身長度一般為數十米甚至一百米以上，大尺度下的內/外流耦合、地面試驗驗證和機身彈性導致的多場耦合問題嚴重，給組合動力空天飛行器的設計帶來極大的挑戰。

(3)外形復雜

為了保證全包線下的飛行性能，要求飛行器的升阻比和推阻性能滿足一定要求，所以飛行器氣動外形和發動機高度一體化設計，扁平化、翼/身融合和機身/發動機一體化是該類飛行器的典型設計特點。然而，復雜的氣動布局給飛行器設計和制導控制帶來了極大的挑戰。

因此，為了實現組合動力空天飛行器的工程化研制，除了動力系統設計之外，組合動力飛行器的總體設計還要突破一系列的關鍵技術。主要的共性關鍵技術包括: 氣動布局技術、機體/推進一體化技術、熱防護與熱管理技術、制導技術、控制技術、地面和飛行試驗技術等。

(1)氣動布局技術

由于組合動力空天飛行器飛行包線寬，氣動布局設計無固定設計點，此外，布局設計需要滿足整個飛行包線內的升力匹配和推阻特性，既要考慮上升段的飛行，也要考慮返回階段遭遇的高速再入、亞聲速飛行，氣動布局在保持合理的靜穩定性的同時，也要保證氣動布局具有足夠的氣動控制能力。主要的技術難點包括寬包線下的升力匹配、寬包線下的飛行器穩定性、氣動外形與防熱問題匹配、寬包線低阻氣動外形設計技術、天地相關性(天地換算)等。

(2)飛行器/發動機一體化設計技術

為實現組合動力飛行器質量最小、機動性能最好、任務適應性最強，需要在滿足高升阻比氣動外形要求的基礎上，開展總體、氣動、結構、防熱一體化設計技術研究，提高飛行器內部裝填比和空間利用率。

進行飛行器/發動機的一體化設計時, 要考慮飛行過程中經歷復雜的熱/力環境變化，發動機的選擇與設計應根據飛行器飛行性能的要求來確定，不能只關注發動機本身性能的優劣。在寬空域寬速域下，兼顧高升阻比飛行器其他總體要求與發動機各工況下的高效進排氣，是組合動力飛行器一體化設計難點之一。

(3)多學科設計優化技術

高升阻比飛行器設計涉及氣動力、熱、燒蝕、防熱、控制、伺服等多個專業和技術領域, 在設計過程中, 氣動力和氣動熱、燒蝕和結構、氣動力和控制、燒蝕和控制、氣動力和伺服等相互耦合, 相互作用,因此在飛行器設計中不僅要借鑒以往軍事航天飛行器各專業及分系統的設計方法和成果, 還要采取多學科優化設計方法, 實現方案的準確分析和設計, 進一步提高設計水平。

(4)高精度GNC技術

GNC系統是飛行器的大腦與神經系統，高精度的導航、制導與控制技術是飛行器完成任務的根本保證。而對于組合動力飛行器而言，氣動布局復雜、飛行環境多樣、飛行包線寬、推進系統工作模式變化頻繁、任務彈道實現困難，這對GNC系統的精度和可靠性提出了更高要求。尤其天地往返飛行器飛行過程中需要經歷多個飛行段，包括返回階段的有動力和無動力過程，每個飛行段均會由于自身結構偏差、內外部干擾和其他不確定性而產生軌跡和姿態偏差甚至失穩，進而影響最終的著陸精度和安全性。因此，高精度的在線軌跡規劃和制導與控制技術是實現飛行任務的基礎。

(5)熱防護技術

高速飛行器在大氣層內飛行時的熱防護一直是難題。根據初步氣動熱環境估算, 端頭再入氣動加熱在2 500 ℃(滑行12 000 km) ，大面積再入氣動加熱溫度在400～ 1 100 ℃。要使飛行器在大氣層內不被燒毀，并保證內部儀器的正常工作, 必須采取特殊的熱防護技術。

5 研發思考

(1)組合動力系統具有重要的戰略意義

當前，以美國為首的各國競相發展組合動力推進系統，將其與高速飛行器技術相結合，這不僅是21世紀航空航天技術的制高點，也是重要的軍民兩用技術，對未來軍事發展戰略、空間技術乃至武器體系有著重大影響。組合動力循環技術是航空航天領域重要的戰略發展方向之一，對我國未來的國家安全、政治和經濟利益都將發揮至關重要的作用。

(2)明確長期技術發展路線，制定頂層發展規劃，循序漸進, 途徑多樣

通過梳理，發現不同國家及研究單位根據應用方向和技術儲備選擇了不同的發展路線，通過不斷提升關鍵技術成熟度，向實際應用不斷推進。國家發展規劃是快速推進科學技術的倍增器，如美國國家空天倡議(NAI)、歐洲LAPCAT計劃、日本 2025 航天規劃等；可重復使用天地往返運輸技術發展，組合動力技術是關鍵。因此我國也必須明確長期發展規劃，明確發展路線，從而推動關鍵技術研究。

高速飛行器研制難度很大, 應遵循由易到難、循序漸進的發展策略, 從一次性使用的高速巡航導彈, 到高速巡航飛行器, 最終目標為可重復使用天地往返運輸系統。但是, 不同應用背景、不同馬赫數范圍的高速飛行器技術既相互聯系, 又有較大差別, 應分別開展關鍵技術攻關, 成果共享, 相互促進, 共同發展。

(3)強調基礎關鍵技術研究，推動關鍵技術突破

火箭基組合動力循環推進系統技術復雜程度高、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。雖然美國目前的一些項目試驗經歷了失敗，甚至某些項目前景不明朗，但飛行器在試飛中得到了不斷的改進，并且積累了大量數據和寶貴經驗。NASP計劃之后，美國更加注重關鍵技術的研究和突破，X-43A的3次飛行驗證了氣動/推進一體化設計、氫燃料超聲速燃燒等關鍵技術；X-51A的4次飛行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。通過各次飛行試驗的逐步遞進，推動了部分關鍵技術的突破。

(4)強化CFD在技術發展中的作用，并發展天地換算方法

鑒于RBCC地面及飛行試驗的復雜性，應在組織飛行器試驗的同時開展大量CFD仿真計算，通過對高速條件下的燃燒機理進行大量CFD研究，給出了燃燒室結構的優化方案，從而進一步指導燃燒室結構優化及試驗方案。同時發展不同尺度和來流條件的實驗數據換算技術，以及基于地面試驗和理論計算結果外推到實際飛行條件的飛行器氣動設計技術，以此進一步輔助和推動RBCC系統方案的深入研究。

(5)重視飛行器總體設計關鍵技術研究，支持系統集成驗證和工程應用

組合動力飛行器飛行包線寬、飛行環境多樣、氣動布局復雜、推進系統工作模式變化頻繁，對飛/發一體化設計、氣動布局、多學科設計優化、導航制導與控制、飛行器熱防護等總體技術提出了更嚴峻的要求，需要開展對以上總體設計關鍵技術攻關，并通過系統集成試驗進行驗證，為關鍵技術在飛行試驗和工程實際應用奠定基礎。