組合動力飛行器軍民融合發展方向及面臨的技術挑戰

中國運載火箭技術研究院研究發展中心 費王華 申 亮 郭鵬飛 張 永

組合動力飛行器軍民融合發展方向及面臨的技術挑戰

中國運載火箭技術研究院研究發展中心 費王華 申 亮 郭鵬飛 張 永

目前，推動軍民融合深度發展已成為我國深化國防和軍隊改革的重要任務之一，軍民融合發展已成為我國重要的國家戰略，軍民融合發展的重要性已從戰略高度顯現出來。組合循環動力技術是將兩種或兩種以上的單一動力類型有機結合，發揮各自的性能優勢，獲得突出綜合性能的動力技術，可顯著拓寬飛行器的飛行包線，為未來先進航天器提供低成本、高性能的動力系統方案，可用于未來天地往返飛行器、導彈武器、高超聲速飛行器等軍事領域，也可滿足人類未來遨游太空、商用旅游、超聲速民用飛行等需要，具有很強的軍民兩用屬性。本文通過對組合動力飛行器技術國內外發展現狀及發展趨勢進行調研，分析了組合動力飛行器技術的軍民融合發展方向及面臨的技術挑戰，提出了加強我國組合動力飛行器技術軍民融合發展的相關建議。

組合動力飛行器技術國內外發展情況

一、國外發展情況

單一的吸氣式動力受到飛行速域、空域的嚴格限制，如渦噴動力一般僅適用于3Ma速度以下，而沖壓發動機無法實現亞聲速、跨聲速飛行，而吸氣式沖壓發動機僅適合在稠密的大氣層內工作等。因此，為實現跨空域、寬速域飛行，自20世紀60年代以來，美國、俄羅斯等國家開展了組合動力飛行器技術的研究工作，取得了大量的研究成果，并逐漸向天地往返飛行器和高超聲速飛行器方向發展應用，其中間技術成果也向高超聲速導彈武器方向轉化應用。

在組合動力天地往返飛行器技術方面，20世紀80年代，基于航天飛機的研制經驗，美國提出了國家空天飛機計劃（NASP）及X-30單級入軌飛行器研制計劃，對多種火箭基組合循環發動機（RBCC）開展了大量研究，研究重點是超燃沖壓動力；英國提出了“HOTOL”單級入軌空天飛機計劃，以一種新型吸氣式火箭發動機作為動力系統；德國提出了“桑格爾”兩級入軌運載器方案，其一子級采用渦輪基組合循環發動機（TBCC），二子級采用液體火箭發動機。NASP計劃之后，美國主要聚焦于組合動力關鍵技術及制約組合動力應用的超燃技術的研究，提出了Hyper-X計劃，并從2001年至2004年完成了3次X-43A飛行試驗。英國在“HOTOL”計劃終止后，在其基礎上成立了英國噴氣發動機有限公司，開展了復合預冷吸氣式火箭發動機（SABRE）及單級入軌運載器（SKYLON）研究，目前處于關鍵技術研究階段。2016年9月，美國公布了2個基于SABRE的兩級入軌應用概念方案。

在組合動力高超聲速飛行器方面，20世紀60年代初，美國提出了高空高速戰略偵察/轟炸機方案，其偵察機型最終發展為SR-71高速偵察機，SR-71采用的J58發動機為渦輪動力與亞燃沖壓動力的串聯TBCC動力系統。21世紀初，美國提出了FALCON計劃及HTV-3X驗證機，HTV-3X采用并聯TBCC技術，最大速度可達6Ma以上。在此基礎上，2007年，洛克希德?馬丁公司提出SR-72飛行器概念，也可用作ISR（情報、監視、偵察），甚至打擊任務。2013年11月，洛?馬公司透露，其“臭鼬工廠”正在研制SR-72飛行器，有望在2030年服役。

在中間成果轉化應用方面，美國提出了“快速全球打擊（PGS）”體系，2007年9月至2010年8月，基于雙燃燒室沖壓發動機的HyFly導彈開展了3次帶動力飛行試驗；2010年5月至2013年5月，美國先后完成了4次X-51A飛行試驗；2014年，在X-51A及HyFly的技術基礎上，美國提出了“高超聲速吸氣式武器概念（HAWC）”計劃，推進吸氣式高超聲速飛行器的武器化。俄羅斯圍繞“冷”計劃，1991年至1998年先后完成了5次超燃動力關鍵技術飛行試驗，并于2011年啟動了“鋯石”導彈關鍵技術攻關，推進組合動力技術研究工作。

二、國內發展情況

當前，我國各軍工企業、高校，以及相關研究機構紛紛瞄準組合動力飛行器未來應用方向，開展核心關鍵技術前期攻關和研究布局，力圖在后續發展中占得先機，同時，加強組合動力飛行器技術在軍用和民用領域的成果轉化研究。

三、發展特點及趨勢

通過對組合動力飛行器技術國內外研究情況的分析可以看出，組合動力飛行器技術發展呈現出以下特點及趨勢：

（1）亞燃、超燃沖壓動力是基礎，國外集中精力突破相關核心技術。NASP計劃后，美國聚焦核心關鍵技術，并通過X-43A、X-51A飛行試驗基本實現了超燃沖壓動力技術的初步突破。

（2）受應用方向、傳統優勢、技術積累等方面的影響，不同國家在組合動力技術方面形成了不同的技術發展路線。例如，美國聚焦于RBCC、TBCC兩類組合動力技術及其應用研究；英國則開展了復合預冷吸氣式發動機及其單級入軌運載器的研究。

（3）在瞄準天地往返終極應用目標開展技術研究的同時，根據不同的應用背景逐步開展中間成果轉化應用。

（4）在開展關鍵技術研究的同時，注重技術研究和試驗方法的發展，強調通過飛行試驗對關鍵技術進行驗證和考核。

（5）國外組合動力飛行器技術經過多年發展，部分技術已經具備了工程應用條件，特別是超燃動力技術已實現初步突破，具備了開展轉化應用研究的條件。

組合動力飛行器軍民融合發展方向初步分析

一、組合動力飛行器軍民融合發展方向

（一）天地往返飛行器軍民融合發展方向

組合動力天地往返飛行器能夠從普通機場起飛和著陸，可實現低成本、常規化、靈活可靠的航天運輸，具有軍事上和民用上的雙重意義。目前RBCC、TBCC和復合預冷發動機均可作為天地往返飛行器的動力系統，但功能各有不同。RBCC發動機具有零速啟動和入軌能力，可作為兩級入軌系統的第一級或第二級，是實現單級/兩級入軌天地往返飛行的理想動力系統選擇之一。TBCC能夠利用空氣中的氧氣自主起飛和著陸，目前主要用作天地往返飛行器的一級動力系統。復合預冷循環發動機是單級入軌天地往返飛行器較為理想的動力系統之一。組合動力天地往返飛行器的軍民融合發展方向主要包括：

（1）在軍用方面，組合動力飛行器可作為單級入軌天地往返飛行器，也可作為兩級入軌飛行器的第一級或第二級運載器使用，可用于滿足軍用航天運輸、軍事偵察、軍事作戰等需求。

（2）在民用方面，組合動力飛行器可作為民用天地往返飛行器開展太空探索，也可作為亞軌道飛行器用于太空旅游和商用航天運輸等。此外，其在氣動力、氣動熱、結構與材料、組合動力等方面取得的關鍵技術成果還可應用于民用技術基礎研究。

（二）高超聲速飛行器軍民融合發展方向

RBCC和TBCC是組合動力高超聲速飛行器較為理想的動力形式。由于RBCC發動機飛行包線寬，是察打一體高超聲速飛行器、強機動武器等優選的動力之一。TBCC動力系統能夠充分利用空氣中的氧氣，實現水平起降，是高超聲速飛行器、遠距離高超聲速投送平臺較為理想的動力類型。其軍民融合發展方向主要包括：

（1）在軍用方面，可作為高超聲速察打一體飛行器，應用于遠程情報、監視、偵察（ISR）系統；可作為遠距離投送平臺，滿足軍事作戰、遠距離運輸等軍事需求。

（2）在民用方面，可發展成為組合動力高超聲速飛機，用于民用航空飛行；可作為民用高超聲速飛行器，用于地震救災、火災救援等方面。此外，其關鍵技術成果還可應用于民用技術基礎研究。

（三）中間成果轉化軍民融合發展方向

在中間成果轉化方面，組合動力飛行器的主要發展方向為軍事用途，利用組合動力寬包線的綜合性能優勢，可發展為各型作戰武器。例如，RBCC高超聲速導彈可發揮寬包線、強機動性等優勢，在飛行過程中短時采用機動飛行彈道模式，降低RBCC導彈被探測和攔截的難度，大幅提升突防能力。TBCC是巡航導彈動力裝置的理想選擇之一，其飛行速度可快慢兼顧，在30km高度以下可實現機動變軌，既克服了目前以渦扇發動機為動力的亞音速巡航導彈易被攔截的不足，又避免了以超燃沖壓發動機為動力的巡航導彈難以機動和控制的問題。

二、組合動力飛行器軍民融合發展面臨的技術挑戰

當前國內外各相關研究單位結合自身的技術基礎和條件提出了基于RBCC、TBCC、復合預冷發動機等動力系統的組合動力飛行器方案，并開展了相應的關鍵技術攻關研究和軍民兩用轉化探索研究。綜合來看，無論基于哪種動力形式的組合動力飛行器，其技術均非常復雜，各技術間的耦合性較強，需突破總體與組合動力強耦合匹配設計、寬包線氣動與推進一體化設計、多約束多模態彈道制導優化設計、跨域飛行多模態強穩定姿態控制、高性能組合動力、輕質結構與材料、地面試驗驗證等多項關鍵技術。同時，各種動力形式在應用過程中也存在各自的技術瓶頸，如RBCC在低速段引射模態推力增益不足、TBCC的“推力鴻溝”及死重等問題、復合預冷循環發動機的預冷器技術等。

加強我國組合動力飛行器技術軍民融合發展的建議

通過對國外組合動力飛行器技術發展情況和特點進行分析，結合我國國情，建議從以下5個方面推動我國組合動力飛行器技術軍民融合發展。

一、頂層謀劃，制定組合動力飛行器技術國家發展戰略，構建我國組合動力飛行器技術軍民融合發展體系

美國、俄羅斯、歐洲、日本均提前布局組合動力飛行器領域，形成了國家層面的技術發展路線，并持續加大投入，力求通過組合動力飛行器技術的突破，使自身在航天技術前沿領域保持領先地位。因此，從國家戰略和安全出發，我國也應提前布局組合動力飛行器技術，及時站位，搶占領域發展制高點。在具體實施過程中，首先應制定頂層規劃，結合軍、民領域對組合動力飛行器技術的發展需求，制定符合我國國情的組合動力飛行器技術領域發展路線，逐步建立我國組合動力飛行器技術軍民融合發展體系，循序漸進地推動組合動力飛行器軍民融合發展，確保技術方向正確，技術途徑可行。

二、創新管理模式，建立快速吸收軍、民優勢技術力量和資本投入的體制機制，為組合動力飛行器技術軍民融合快速發展提供保障

在國家創新驅動發展戰略、軍民融合發展戰略等政策環境支持下，我國要充分借鑒發達國家在組合動力飛行器技術領域采取的創新發展模式和手段，探索更加積極、包容、合作的發展模式，廣泛吸納國內具有研發優勢的軍工企業、民營企業、高校和研究機構，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飛行器關鍵技術研究取得突破。

三、軍民深度合作和資源共享，建立國內優勢單位的技術聯合體，形成國家整體力量，共同推進組合動力飛行器技術發展

組合動力飛行器技術涉及的技術面廣，技術復雜程度高，技術突破難度大，建議從國家層面創造條件，集合國內優勢單位技術力量，形成較為牢固的、具有一定綜合優勢的技術研究聯合體，逐步形成組合動力飛行器領域的“國家隊”，在激烈的競爭態勢中掌握主動。

四、引入競爭機制，激發研究潛力，逐步完善我國組合動力飛行器技術研發機制和產業發展模式

借鑒國外成熟的發展模式，在建立聯合攻關機制的同時，引入競爭機制，促進軍工企業、民營企業、高校及研究機構之間形成良性的競爭，進一步激發組合動力飛行器技術領域的研究活力，打破壟斷，優勝劣汰，實現資源的合理分配，促進該領域高效發展。

五、充分集合軍民融合發展力量，選擇恰當的切入點，聚焦關鍵技術，及早形成研發及應用成果，獲得經濟效益

在開展組合動力飛行器技術研究的過程中，應結合我國實際和技術基礎，選擇適當的領域發展切入點，并聚焦關鍵技術，通過理論研究、地面試驗和飛行試驗等多種手段加快突破制約組合動力飛行器發展的核心技術，及早形成自主研發成果，獲得經濟效益。