吸气式空天飞机对TBCC动力的需求分析

梅东牧，林 鹏，王 战

(沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035)

吸气式空天飞机对TBCC动力的需求分析

梅东牧，林 鹏，王 战

(沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035)

随着空天技术的迅猛发展，研究以吸气式发动机或以组合式发动机为动力的空天飞机，成为航空航天事业发展的一个主要方向。吸气式空天飞机的发展面临着一系列技术挑战，动力就是决定因素之一。对空天飞机动力技术进行了分析，指出涡轮基组合循环(TBCC)动力因其工作范围较大而成为空天动力的最佳选择。对比分析了串联/并联TBCC的技术特点，归纳总结了空天飞机对组合动力的技术需求。

吸气式；空天飞机；涡轮基组合循环动力；串联/并联布局；飞行任务

1 引言

21世纪的空天装备面临着低成本、高可靠性、高机动及低污染等新的挑战。垂直发射的航天飞机一旦遇到故障难以终止飞行并回收载荷，这就使得水平起降、吸气式推进的空天飞机受到重视。空天飞机是一种综合了航空航天技术、可重复使用、水平起降、往返穿越大气层和空间、执行空天任务的复杂系统，具有重要的军事/经济价值和广泛的应用前景，必将成为航空航天技术领域的战略制高点。

由于不同飞行任务(如加速与巡航)对推进装置及飞行器的要求差异很大(表1)：巡航任务要求发动机比冲(I)高及飞行器升阻力比(L/D)大，巡航速度(V)高及初终状态质量比(W0/W)大，同时其敏感度与航程参数(IVL/D)成正比、与瞬时质量成反比；而加速任务则要求发动机的有效比冲(Ie)高，即Ie=I(1-D/T)大，和W0/W大，其敏感度与Ie成正比、与W成反比。另外加速要求净推力，如果发动机比冲高，但飞行器推阻比也大(如涡轮类发动机在跨声速阶段)，则其加速性能不好。正因这一特点，有/无巡航任务要求的空天飞机对同一种组合发动机的评估结论迥异。如对于加速任务，火箭发动机最具优势；而对于具有远程巡航的飞机任务，涡轮发动机性能更优。正因为不同类型的发动机在不同飞行范围各具性能优势，世界上许多国家曾将不同类型发动机在每一任务段的优势进行组合，形成一种组合循环发动机。

表1 不同飞行任务对发动机和飞行器的要求Table 1 Requirements for propulsion and vehicle on different missions

随着论证和研究工作的深入，对于组合循环发动机存在的问题也揭示得越来越多，遇到的技术困难也越来越大。一方面是进气道、燃烧室、尾喷管对工质空气的供应与需求的矛盾，另一方面是部件冷却、做功、燃烧对工质氢的供需匹配。由此，世界上一些大型的空天飞机研制计划，如美国的NASP计划，德国的Sanger计划，法国的STS2000、STAR-H计划等，都停止了论证和研究。但随着科技的发展，一些新的更具发展前景的吸气式组合循环概念不断涌现，其中以火箭为基础的组合循环(RBCC)发动机概念、以涡轮发动机为基础的预冷却涡轮基组合循环(PCTBCC)发动机概念，受到人们更多的重视。本文将侧重于分析吸气式空天飞机对涡轮基组合循环(TBCC)动力的需求。

2 空天飞机动力技术

2.1 TBCC是空天飞机动力的最佳选择

空天飞机的发展面临一系列技术挑战，动力是决定因素之一。如图1所示，涡轮动力加预冷技术工作范围可从0到30 km高度，最大速度在Ma3.0以上；亚燃冲压动力从高度20 km以上、速度Ma2.5开始，达到45 km、Ma6.5；超燃冲压从高度35 km、速度Ma5.0开始，达到60 km、Ma10.0。所以空天飞机要达到60 km以上高度、Ma10.0以上速度，单一类型的动力不能满足需求，必须有多种动力形式组合搭配使用。

图1 不同发动机的工作包线范围Fig.1 Operating envelop for different engines

TBCC发动机是指由涡轮发动机与其它类型发动机组合而成的动力装置，是带动力水平起降、可重复使用的高超声速飞行器的关键动力系统之一[1，2]。国外提出了涡轮冲压组合发动机、空气涡轮冲压发动机及变循环涡扇冲压发动机等，其中对涡轮冲压组合发动机研究得最多，并开展了很多有关其技术发展的计划，如美国的RTA[3]、日本的HYPR[4]和欧洲的LAPCAT[5]计划等。从图1中可看出，以涡轮为基础的冲压组合循环发动机的工作范围较大，满足空天飞机对动力的需求，因此TBCC发动机为发展空天动力的最佳选择。

基于空天飞机对动力的需求及空天技术的发展，应先行发展对空天作战飞机至关重要的空天动力系统，包括当前正在大力发展且未来潜力巨大的空天动力技术——射流预冷技术、吸气式冲压发动机技术和涡轮冲压组合动力技术。

2.2 串联/并联TBCC的技术特点

TBCC根据涡轮和冲压两类发动机主要部件的关系与流程，可分为串联布局和并联布局。总体上，并联式TBCC迎风面积较大，研制难度相对较小，周期短；串联式TBCC迎风面积小，推重比高，设计难度大。表2列举了两种布局TBCC发动机的关键技术及比较。可见，串联式TBCC主要难在组合动力设计——高速、高温下涡轮发动机改进，加力/冲压双模态燃烧室设计，热管理，热防护，及高温材料技术等；并联式TBCC主要难在动力应用——飞/发一体化设计和进排气系统设计。由于存在显著的技术差异，TBCC技术应分串联和并联两条主线来发展。

3 空天飞机对组合动力的技术需求

(1) 飞机与发动机的一体化综合设计技术

从飞机平台设计角度出发，发动机工作模式的复杂性给飞机/发动机一体化综合设计带来了诸多困难。与传统飞行器相比，空天飞机更需要加强飞发一体化设计。

空天飞机设计的一个关键难点，是在提供高效气动产生高效推进的同时，配合飞行器的高容积率、结构的有效性、可控性及好的热防护性的一体化要求。各种性能的耦合程度及紧密的一体化设计，引起了很多关于高超声速飞行的实际设计问题，其中包括燃料选择、发动机循环及非设计工况性能的最基本问题。

表2 串联式和并联式TBCC动力技术特点比较Table 2 The characteristics comparison between co-axial and over-under type of TBCC

TBCC发动机飞/发一体化综合设计技术，是从整个飞行器系统出发来进行机体、组合发动机的研究设计，主要是指将进气道与飞行器前机体集成、将尾喷管与飞行器后机体集成的一种设计方法。通过飞发一体化设计，可实现飞机设计工作中的技术集成、系统集成、过程集成、人员集成和管理信息集成。即在飞行器设计过程中，同时考虑多项技术对飞行器总体性能的影响，对各项技术参数进行统一优化。将过去彼此独立的系统集成在一起，实现信息和资源共享，降低全系统的重量和成本，提高系统的可靠性，提高系统间的协调性，增强飞行器的作战能力。由于当前TBCC技术尚不成熟，发动机的工作特性与性能规律欠缺试验数据支撑，很多高马赫数飞行器的气动外形设计仍以气动特性为设计指标，只是在设计过程中考虑发动机的性能需求，并未完全纳入气动外形优化设计过程，并且影响高马赫数飞行器性能的参数较多，飞行器一体化设计优化目标较多，需深入研究TBCC动力与气动外形性能变化规律，简化优化设计模型，才能进行高效率的一体化优化设计。因此，开展飞发一体化综合设计技术攻关尤为重要。

(2)组合动力模态转换与控制技术

TBCC动力不同于以往其它任何一个单独的发动机，其整个工作历程经历了从传统的涡轮基发动机工作，到涡轮冲压发动机共同工作，最终到冲压发动机单独工作，对飞机推进系统控制率的设计都提出了挑战。两种不同的发动机涉及到接力转换，进气道斜板调节控制机构、TBCC发动机的安装形式和冷却等与以往都有很大差别。如何实现飞机与TBCC发动机的协调控制，实现TBCC发动机模态转换过程中对进气流量的控制和对发动机推力的连续控制等，确定最佳模态转换时机和最佳转换点，保证各分系统之间协调、安全、稳定工作，是飞机部门与发动机部门需共同研究的问题。

(3)高速推进系统冷却与热防护技术

目前采用的发动机舱冷却技术，主要是利用飞机机身、垂尾表面冲压进气口进气，当飞机高速飞行时实现冲压进气，实施对发动机冷却。对于高超声速空天飞机，若采用传统的冲压进气冷却方式，高马赫数飞行时将导致飞机驻点温度过高，冲压进气口气流温度很高，加之发动机舱内电子设备对工作环境温度敏感，因此必须采用新的冷却方法和冷却技术，满足发动机及其附件的工作环境要求。高速推进系统冷却与热防护技术研究目标，是希望将组合动力舱工作环境温度能控制在150℃内，保证发动机稳定工作。

(4)基于TBCC推进系统的能源生成技术

传统单一的涡喷发动机通过齿轮传动部件与发动机转轴连接，通过轴功率输出转化为飞机的需求功率。TBCC发动机模态转换结束后，涡轮发动机停止工作，冲压发动机没有转子部件，无法从发动机转轴提取功率满足飞机的需求。若采用备用蓄电池，必然增加飞机的重量，影响飞机的飞行性能。特别是对于长时间飞行的飞行平台来说，影响显著。因此，如何实现TBCC发动机正常工作中满足飞机功率提取要求，也是需要解决的难题。

[1] Snyder L E，Escher D W.Turbine Based Combination Cy⁃cle(TBCC)Propulsion Subsystem Integration[R].AIAA 2004-3649，2004.

[2] 文 科，李旭昌，马岑睿，等.国外高超声速组合推进技术概述[J].航天制造技术，2011，(1)：4—7.

[3] Bartolotta P A，McNelis N B.High Speed Turbines：Devel⁃opment of a Turbine Accelerator(RTA)for Space Access 2003[R].AIAA 2003-6943，2003.

[4] Miyagi H，Kishi K，Kimura H，et al.Combined Cycle En⁃gine Research in Japanese HYPR Program[R].AIAA 98-3728，1998.

[5] Steelant J.Achievements Obtained for Sustained Hyper⁃sonic Flightwithin the LAPCAT Project[R].AIAA 2008-2578，2008.

Requirements for TBCC Propulsion of Air-Breathing Aerospace Vehicle

MEI Dong-mu，LIN Peng，WANG Zhan
(Shenyang Aircraft Design&Research Institute，Shenyang 110035，China)

With the quick development of the aerospace technology,the aerospace vehicle propelled by air-breathing engine or combined engine has been the main research field.The development of air-breath⁃ing aerospace plane is faced with a lot of technology challenges of which propulsion system is a key ele⁃ment.Propulsion technology has been analyzed,and it was concluded that TBCC would be the optimal choice for aerospace vehicles for its wide operation range.Technology characteristics of co-axial and over-under types of TBCC were compared and analyzed to summarize the requirements for TBCC.

air-breathing；aerospace vehicle；TBCC；co-axial/over-under type；flight mission

V221；V236

A

1672-2620(2013)06-0012-03

2013-11-18；

2013-12-20

梅东牧(1974-)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，博士，主要从事飞行器总体设计研究。