高空高速的动力之源

于文怀

目前，世界各航空强国为了更有效地掌握制空权，除了加强智能发动机、多电发动机等燃气涡轮发动机技术研究发展外，纷纷开始探索新颖的发动机技术，将航空、航天推进技术进行组合，其中变循环组合发动机就是目前备受关注的、适合高超声速飞行的新型发动机。本文对组合发动机的技术应用、特点、发展现状及趋势等进行简要了介绍。

航空、航天推进技术组合的战略意义

随着世界航天航空技术的进步和新军事变革，各国军用武器装备水平有了跨越式提高，使得天地往返运输技术的发展显得越来越迫切，“谁能控制空间，谁就能控制世界”。对于未来的航空（天）运载器来说，不仅要实现可重复使用，而且还要满足必需的空间高度、飞行速度（达到高超声速）、飞行距离以及更廉价进出空间的要求，其技术水平体现了一个国家自由进出空间和保持空间优势的能力。发动机作为空天飞机和重复使用航天运载器的核心部件，其系统方案和性能直接影响到飞行器的起飞方式、飞行速度、飞行高度和作用距离，进而影响到飞行器的运载能力、效能和可靠性。

空天飞机和可重复使用的航天运载器是航天与航空技术的高度综合，一旦研制成功并投入使用，将对航空航天、未来战争的作战模式与对抗优势地位产生重要的影响。而RBCC火箭基组合循环发动机、TBCC涡轮基组合循环发动机和ARCC吸气式-火箭组合循环发动机对中、小型亚轨道飞行器具有良好的适用性和应用前景，可为亚轨道飞行器提供在多种跑道上起飞并重复使用的可行系统方案，有助于确定信息化高技术条件下空间竞争中的优势地位，建立有效的空间飞行作战平台，是未来高技术战争不可或缺的一部分，其发展水平关系到航空航天技术领域和国家安全，因而具有重要的战略价值和意义。

国外发展现状及趋势

根据预测，在不久的将来美军有能力在两小时之内将全副武装的海军陆战队士兵从美国本土投送至全球任何地点，且无需获得外国领空的通行证。美国设想中运送士兵的超级飞行器是个亚轨道飞行器，一次可搭载13名海军陆战队士兵以及两名驾驶员。在飞行过程中，它先是被悬挂在一架大型亚轨道飞机的腹部，在被带到数千米的高度后便与母机分离，然后通过超声速冲压喷气发动机将飞行器提高至30千米的空域，再发动火箭发动机，以抛物线的轨迹将飞行器提升至80千米以上的太空。当到达距离地面约110千米高度后，飞行器将展开双翼并开始进入着陆阶段。该飞行器将是能从根本上改变部队作战战术的空间输送系统，可重复使用和高超声速飞行的特点使其具有强大的优势。

1.空天飞机与高超声速飞行器发展现状与趋势

目前，美、俄等国都在加紧发展各自的“天军”，甚至提出“谁能控制空间，谁就能控制世界”。在多种处于发展过程的天战武器中，空天飞机和可重复使用航天运载器集飞机、运载器、航天器等多种功能于一身，既能在大气层内作高超声速飞行，又能进入轨道运行，将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等国已在高超声速技术和空天飞机方面陆续取得了重大进展，并相继进行了地面和飞行试验。

⑴ 美国20世纪80年代中期实施了采用吸气式推进、单级入轨（马赫数25）的国家空天飞机计划（NASP），大大推动了高超声速技术的发展，仅美国航空航天局（NASA）兰利研究中心就进行了包括乘波外形一体化和超燃冲压发动机试验在内的近3200次试验。通过这些试验，美国已基本掌握了马赫数小于8的超燃冲压发动机设计技术，并建立了大规模数据库，从而为实际飞行器的工程设计奠定了坚实的技术基础。

实施过程中美国不断调整发展思路，NASA制定了以对采用的设计方法进行飞行验证，继续发展以超燃为动力的飞行器设计工具，降低由于气动力、推进系统、结构/发动机/结构一体化预估不准确带来的风险为主要目标的Hyper-X计划，先后研制了以火箭为动力的空天飞行器X-33、X-37和X-43。2004年3月，以超燃冲压发动机为动力的飞行器X-43A试飞获得成功，可控飞行速度达到了马赫数7，持续飞行8秒钟，飞行高度28千米。美国空军2008年开始研制X-51“乘波者”的高超声速巡航导弹，采用超燃冲压发动机，飞行速度将达到6000千米/时，如果研制成功将使美军具有可在60分钟内对全球任何地点实施精确打击的武器。美国国防部与航宇局也制定了名为“FALCON”的计划，发展可重复使用的跨大气层空天飞行器，以实现其快速全球打击构想，其核心部分就是可重复使用、可再入大气层、以高超声速飞行、无人驾驶的空天飞机，认为它将成为未来最重要的新型空天飞行作战平台，为空天运输和攻防对抗提供超凡的能力。

⑵ 俄罗斯在高超声速技术领域仍处于世界领先地位，在亚燃/超燃冲压发动机、耐高温材料、C/H燃料、CFD技术及一体化设计技术等方面取得了重大突破，且已经进入了高超声速技术飞行验证阶段。在空天飞机研究方面，俄罗斯研制了“暴风雪号”和“彩虹号”高超声速试验飞行器，其设计飞行速度马赫数为2.5～6，飞行高度为15～30千米；此外，俄罗斯还研制了采用氢燃料超燃冲压发动机的IGLA高超声速试验飞行器，飞行速度马赫数为6～14。

⑶ 德国设计了“森格尔”空天飞机，英国则在进行“霍托尔”空天飞机研制，日本也在研制成本更低廉的空天飞机，采用吸气式发动机和火箭组合的推进系统，应用人工智能飞行控制技术。

2.空天飞机和航天运载器推进系统发展现状与趋势

目前，空天飞机和可重复使用的航天运载器可以采用的推进系统主要有：火箭发动机、吸气式发动机和组合循环发动机。火箭发动机是推进系统中到目前为止技术最为成熟的一种发动机，其特点是不依赖大气中的氧，以自身携带的推进剂作能源，所以这种发动机可以在大气层内外工作，并且还不受飞行器飞行速度、飞行高度和外形尺寸的影响。但是，火箭发动机需要自带大量的氧化剂，通常氧化剂的重量大约占总起飞重量的2/3，因而其比冲较低，有效载荷小，飞行成本高，在超声速和高超声速飞行时，续航能力不足。而液体火箭发动机结构复杂、燃料储罐尺寸大，还不具有即时发射性。与火箭发动机不同，吸气式发动机在飞行过程中直接使用空气中的氧气，自身不需要携带氧化剂，其比冲大，并可以大幅度减小飞行器的质量和尺寸，有效提高飞行器的飞行距离和有效载荷；但是涡轮发动机的结构复杂，并且在马赫数大于3时，其比冲降低很大，所以，它不适合用作马赫数3～5或更高速度飞行器的推进系统。冲压发动机没有涡轮发动机的压气机和涡轮那么复杂的转动部件，构造简单，重量比较轻，使用维修方便，并且在马赫数大于3时，其比冲优于其它类型的发动机，是高速飞行器比较理想的发动机类型。但是冲压发动机的工作与飞行速度的关系极为密切，当飞行马赫数很低时，冲压增压比小，发动机循环效率低，推力小；极限情况下，飞行马赫数为零时，推力就等于零，即冲压发动机不能自行起动；而当飞行器飞行速度超过马赫数5，采用亚燃燃烧方式时燃烧效率下降很快，就必须采用超燃方案来解决燃烧问题，而超燃带来的技术难点较多；同时，当飞行高度超过50～60千米时，由于空气稀薄，燃烧所需要的从空气中获得的氧气不足以维持稳定燃烧，故采用冲压发动机的飞行器受到飞行高度的限制。如果飞行器的飞行高度要达到亚轨道，还需要火箭发动机的支持。因此，对于飞行高度要求达到80～100千米及以上的亚轨道重复使用空天飞机和航天运载器来讲，需要采用组合循环的发动机，将两种或多种发动机循环有机地组合在一起，取长补短，以提高性能，满足使用要求。常用的组合发动机有火箭基组合发动机（RBCC）、吸气式组合发动机，也称为涡轮基组合循环发动机（TBCC）和脉冲爆震火箭发动机（PDE）等。

RBCC发动机集火箭、冲压/超燃冲压发动机于一体，优势互补，从地面到太空轨道都能提供动力。具体可以是：从起飞到马赫数2.25采用火箭动力，并由来自进气道的空气加力，火箭安装在发动机火焰管中的一个挂架上。速度超过马赫数2.25后，火箭关机，发动机转为冲压模式，燃料仍由排气管处的喷注器提供。当运载器加速到马赫数5以上时，发动机过渡到超燃冲压模式，此时要启用火焰管中部的新燃料喷注器，而后部的喷注器则被关掉。速度超过马赫数10.5而运载器要离开大气层时，无法再利用大气中的氧，此时，发动机进气道要关闭，火箭部分重新开始工作。美国航宇局马歇尔航天飞行中心目前正在研究对RBCC发动机进行飞行验证的几种方案，包括楔形的“望星者”小型运载器（采用4台超燃冲压RBCC发动机）、相对较简单的“星骑兵”（使用2台冲压RBCC发动机）和天龙座DRACO（D-21靶机改装）。“望星者”和“星骑兵”都将进入轨道，而“天龙座”则将只在大气层内进行试验，由SR-71“黑鸟”飞机发射。

涡轮基组合循环（TBCC）发动机与RBCC的概念相近，只是在低速飞行阶段使用基于涡轮的压缩系统，在弹用发动机和SR-71“黑鸟”高空高速侦察机上得到很多应用。而脉冲爆震发动机（PDE）的大致工作过程是：燃料先同流过管状发动机的空气混合，然后引发爆震。此时燃烧波开始沿发动机管向后传播。随着火焰前锋沿管道向下游运动，火焰前方空气/燃料混合物会受到压缩，并在压力达到临界水平时产生爆炸。同时，火焰前锋过后造成的压力降会使新鲜的燃料被吸入管中，而爆震波离开排气管会使压力进一步降低，从而会把空气吸入进气道，引发下一个爆震循环，每个循环所需的时间都非常短。为了获得恒定的推力，全尺寸的脉冲爆震发动机将由多个燃烧管组成阵列。美国航宇局在1999年其新设立的方案计划将脉冲爆震发动机列为三个将进入验证阶段的项目之一，国内西北工业大学、国防科技大学等单位在这方面也进行了很多深入细致的研究。

ARCC发动机概念及相关技术

以中、小型亚轨道飞行器为背景需求的ARCC发动机目前正在研制，其系统方案、关键部件研究及性能分析中所采用的发动机（见图1）是由以煤油作为燃料的常规涡轮喷气发动机或基于旋转冲压压缩技术的涡轮发动机、亚燃或超燃冲压发动机和固体火箭发动机组成，是一种新型的可重复使用的航天运载器的推进系统。

ARCC发动机综合了涡轮喷气发动机、冲压发动机和固体火箭发动机单独工作时的优点，同时弥补了各自的不足之处，使采用这种发动机的飞行器在不同的飞行条件下都能具有良好的推进性能。以采用旋转冲压压缩技术的涡轮喷气发动机为例，其基本工作过程是：飞行器从地面起飞时，采用旋转冲压压缩转子的涡轮发动机开始工作，来流空气经两级旋转冲压压缩转子压缩增压后，进入燃烧室与煤油混合燃烧，然后再经高低压涡轮膨胀，由尾喷口喷出产生推力。达到转接马赫数后，关闭涡轮发动机，起动冲压发动机，使飞行器从10千米爬升到30～50千米高空，飞行速度马赫数达到5～7。此时空气压力和密度已不再适合冲压发动机工作，因而关闭冲压发动机，起动固体火箭发动机，将飞行器由30～50千米高空推至80～100千米高空。返回过程中，飞行器由80～100千米高空作无动力滑翔至大约30～50千米高空，此后及近地飞行时，可以再重新起动冲压发动机或涡轮发动机（需要预留燃料），做有动力机动飞行。

1.激波压缩技术与旋转冲压压缩转子

旋转冲压压缩转子是采用激波压缩技术的一种新型的压缩系统。激波压缩是一种利用超声速气流绕流物体流动时产生的激波来对气流进行压缩的压缩方式，现阶段主要应用在超声速飞行器的进气道中。与涡轮发动机中经常采用的轴流式和离心式气流压缩方式相比，激波压缩具有增压比高、压缩效率高、结构简单、重量轻、没有或转动部件少等优点，是一种高效而有巨大潜在应用价值的气流压缩方式，如图2中（a）所示。在来流马赫数大约为2.2时，激波压缩就能达到大约10的增压比（见图3）。基于这样的思想，美国Ramgen动力系统公司提出了基于激波压缩技术的新型压缩系统—Rampressor的概念，我们称之为旋转冲压压气机，图2中（b）是其核心部件——旋转冲压压缩转子及其轮缘流道的转变示意图。这种新型的压缩系统融合了超声速飞行器进气道中所用的激波压缩技术与常规轴流式和离心式压气机的设计技术，从而获得了一种高效的压缩系统（图2中（c））。与轴流压气机相比，这种新型的压缩系统的单级压比可达15或更高，而要达到这样高的压比，轴流压气机需要8～12级。在宽马赫数范围内工作及在高的单级负荷条件下可获得不低于85%（最高可达93%，参见图4所示旋转冲压压缩转子预期效率与典型离心式压气机效率随压比的变化）的级效率，具有总压缩效率高、产生损失的气动面积小、结构简单、轴向长度短和重量轻的优点。由上述分析可以看出，旋转冲压压缩技术是一种极具潜力和发展前景的新型压缩技术，这种技术的应用将给发动机的压缩系统带来一场革命性的变革，利用双级旋转冲压压缩转子，可以实现45～50的高压比。

2.转接马赫数和亚燃/超燃冲压发动机技术

大量研究文献指出，涡轮喷气发动机由于燃烧室出口温度受到涡轮叶片热强度等的限制，随着飞行马赫数的增加，燃烧室出口温度增加，不得不减少发动机的供油量以减少加热量，从而导致发动机热力循环效率迅速下降。飞行速度越高，发动机进口速度冲压就越大，当飞行马赫数接近3时，发动机进气道冲压压缩已达到相当高的气流压强，致使涡轮—压气机系统成了高速飞行时发动机的多余部件。一般来讲，国内外基本将涡轮-冲压组合循环发动机中涡轮发动机与冲压发动机的转接马赫数选定为2.25～2.5。

在马赫数2～5范围内，流经冲压发动机的气流经过扩压后静压、静温升高，使得同样加入热量情况下熵增较小，所以亚燃冲压发动机燃烧室中总压损失较小。虽然亚燃冲压发动机的进气道内有较强的正激波损失，但亚燃冲压发动机与超燃冲压发动机相比，亚燃冲压发动机总损失要小。随着飞行速度的增加，亚燃冲压发动机进气道中正激波损失不断加大，到马赫数5～6时，亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机的循环损失几乎相等。当马赫数大于6时，超燃冲压发动机就明显地显示了其优越性。在超燃冲压发动机燃烧室中，静温、静压都比较低，这不仅从化学热力学来看是有利的（因热力分解程度减轻，氧化程度更高），而且还大大减少了热传导损失，减轻了结构负荷。但在超声速气流中加热不仅会引起较大的总压损失，而且由于燃烧室中气流速度很高，喷嘴喷出的燃料在燃烧室中驻留的时间很短，只有几毫秒的时间，在这样短的时间内燃料必须与超声速气流进气有效地混合、燃烧，否则燃料将被吹出燃烧室，从而造成燃烧室火焰熄灭，燃烧效率下降，甚至发动机不能正常工作，因此超燃的点火及燃烧稳定性问题比较严重，会大大增加发动机组织有效燃烧的困难。因此，亚燃冲压发动机与超燃冲压发动机都有其最佳工作范围，采用哪种燃烧形式或是采用双模态，应该根据冲压发动机工作的马赫数范围和飞行高度等来综合确定。

结论

鉴于ARCC发动机本身的宽广工作范围和可能达到的良好的工作特性并考虑未来中、小型亚轨道飞行器对推进系统的要求，可知ARCC发动机可以作为空天飞机和重复使用航天运载器推进系统的候选方案之一。组合循环发动机基础及实际应用领域的第一项技术进步，都将不断强化空天飞机和重复使用航天运载器研究和发展的动力基础，对提升航天技术、巩固国防安全具有巨大的促进作用。

（作者单位系中航工业黎明）