寬適應性高超聲速空天動力技術發展分析

■ 董芃呈 韓玉琪 劉金超 / 中國航發研究院

基于軍事及經濟戰略需求，寬適應性高超聲速空天飛行器的研制備受重視，而高性能動力技術是其核心。基于成熟研究基礎的組合動力技術發展日趨深入，依靠創新概念的預冷技術亦初露鋒芒，形成交互促進的格局。

寬適應性高超聲速空天飛行器在具備高超聲速飛行能力的同時，基本能適應目前機場起降及保障條件、能夠在自地面至臨近空間乃至地球軌道的極寬范圍內工作，可用于高速運輸或入軌運載。滿足這一大跨度高性能需求的動力技術是其研制的核心，在相關研究過程中均以吸氣式高超聲速動力技術為重點，主要包括組合動力技術和預先冷卻技術等，未來發展戰略與趨勢已初現端倪。

高超聲速飛行器凸顯動力技術核心地位

寬適應性的高超聲速空天飛行器的研制是包括動力系統在內的各方面技術優化集成的過程。其中，動力系統的尺寸及氣流捕獲量在飛行器中占據更大份額，飛行器與動力裝置間的耦合更為緊密，新燃料的應用顯著影響飛行器構型和冷卻設計，使得動力技術的重要性與牽引性更為顯著。由相關研究可以看出，寬適應性的高性能動力技術是高超聲速空天飛行器的核心關鍵，是實現空天飛行器優越性能及良好任務適應能力的前提。

幾種美國高超聲速飛行器

美國寬適應性高超聲速計劃

長期以來，美國十分重視圍繞寬適應性高超聲速空天飛行器的各項戰略、前沿技術研究，開展了國家空天飛機 (NASP)、高超聲速試驗(HYPER-X)、 先進空間運輸(ASTP)、本土兵力部署與投送 (FALCON)等計劃。

其中，NASP計劃對高超聲速空天飛行器進行了啟發性的宏觀論證及關鍵技術研究，但因進度及預算等問題于1995財年終止，美國國防科學委員會（DSB）的評審認為，超燃沖壓發動機、高超聲速流場分析和控制、先進材料和涂層等技術的成熟度較低、不確定性較大，是計劃的關鍵瓶頸。Hyper-X計劃在方案設計上大量采用成熟技術以降低飛行試驗技術風險，重點關注熱防護問題和超燃沖壓發動機，驗證機X-43A成功開展飛行試驗，積累了大量相關試驗數據。ASTP計劃著重在動力方面開展雙模態超燃沖壓發動機地面試驗，研究了采用變循環技術的新型TBCC推進系統，即革新渦輪加速器（Revolutionary Turbine Accelerator，RTA），將空天飛行器的動力選擇延伸至寬適應性組合動力領域。FALCON計劃采用循序漸進的發展策略，計劃通過系列飛行驗證機HTV-1、HTV-2、HTV-3X的研制與驗證，發展以先進TBCC推進系統為動力的高超聲速飛行器（HCV）所需的關鍵技術。2010年4月，HTV-2進行了首次9min的無動力滑翔飛行試驗，在高超聲速條件下收集了大量試驗數據。洛克希德-馬丁（洛馬）公司延續FALCON計劃，發展下一代馬赫數（Ma）為 6的高超聲速飛機SR-72，預期于2030年形成裝備。

SKYLON可重復使用入軌器

LAPCAT計劃內幾種高超聲速飛行器概念圖

歐洲寬適應性高超聲速計劃

云霄塔（SKYLON）計劃由英國航天局（UKSA）、英國反應發動機公司（Reaction Engines Ltd . ，REL）共同開展，計劃研制能夠大幅降低發射成本、簡化基礎設施、縮短準備時間的可重復使用入軌器，采用單級入軌（SSTO）方式，同時能夠靈活機動。該計劃的核心在于其搭載的“佩刀”（SABRE）發動機。該型發動機具有火箭發動機及吸氣式預冷發動機的組合特征，具有比沖高、工作范圍寬、環境危害小等性能潛力，其突出性能賦予飛行器良好的任務適應能力。

長期先進推進系統概念與技術（LAPCAT）計劃是2005年由歐盟委員會資助開展的面向未來高超聲速空天飛行器及動力技術的研究計劃，以高性能動力技術為核心，規劃未來高超聲速飛機的發展藍圖。該計劃研究了速度分別為Ma5和Ma8的兩類高超聲速飛機。對于Ma5，計劃圍繞起飛質量、燃料消耗、環境因素等方面，選取了具備較優潛力的Ma5 “彎刀”（Scimitar）預冷發動機為動力的LAPCAT-A2方案作進一步研究。對于Ma8，法國航空航天研究院（ONERA）提出一種基于由入軌器改型的概念設計，對機體進行了全新設計和數值模擬，選取先進TBCC作為動力。歐洲導彈集團（MBDA）提出一種采用氫燃料動力的非常規布局軸對稱式的飛行器構型設計，內部儲存空間充足，以適應液態氫燃料的特點；在動力方面，方案集成了針對氫燃料改型的GE90發動機、液體燃料火箭、雙模態沖壓發動機3個動力模塊，以覆蓋寬速域工作范圍。

從LAPCAT計劃可以看出，寬適應性的高超聲速空天飛行器的設計將顯著區別于傳統飛行器，以適應新型動力、新型燃料帶來的改變，動力技術對飛行器研制的牽引作用在高超聲速層面尤為突出。

日本寬適應性高超聲速計劃

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）開展了多項針對高超聲速飛機、可重復使用入軌器的研制計劃，均以膨脹循環空氣渦輪沖壓（ATREX）發動機為代表的高性能動力技術為其工作重點。JAXA先后提出兩級入軌（TSTO）的可重復使用入軌器，以及100座級、Ma4.5巡航的高超聲速飛機研制計劃，研究包含了構型、質量、尺寸等的概念設計，重點是動力系統的論證。動力選型涉及RBCC、TBCC及ATREX發動機，研究結論肯定了以液態氫為燃料的ATREX發動機的較高性能潛力。

JAXA高超聲速空天飛行器概念圖

組合動力技術發展日趨深入

各型傳統動力裝置只能在一定的工作范圍內勝任，難以單獨滿足未來高超聲速空天飛行器在極寬飛行包線內的性能需求，因而組合不同形式動力模塊拓展高效工作范圍成為技術及工程上的自然選擇。組合動力技術，特別是渦輪基組合動力技術，具備覆蓋極寬的工作范圍的能力，同時具有較高的技術可實現性，是各國中近期項目的主要動力選擇。由相關研究可以看出，基于相對成熟技術，逐步研究、突破、驗證和應用，實現型號的穩步發展及最終裝備，是發展高超聲速空天動力技術的有效戰略選擇。

火箭基組合動力技術

火箭基組合動力（RBCC）是火箭發動機和吸氣式發動機的組合。美國在1968年對增壓引射火箭沖壓型(SERJ ) RBCC驗證機進行了多次地面試驗。20世紀90年代末，NASA聯合洛克達因（Rocketdyne）和普惠公司等在ASTP計劃內進一步開展RBCC的設計研制。NASA還設立吸氣式火箭綜合系統測試（ISTAR）計劃統籌RBCC的研究。JAXA在其可重復使用入軌器的研制中，結合飛行任務對RBCC進行了評估。

研究表明，RBCC發動機結構較為簡單，通過引入引射模態和沖壓模態（見表1），相較于純火箭動力，提升了較低速度范圍內的比沖，能夠覆蓋自起飛至入軌的極寬工作范圍。在低馬赫數時，引射火箭的比沖遠低于燃氣渦輪發動機，使其飛行器較難搭載較高的入軌載荷，這是RBCC的主要性能劣勢之一。對于SSTO入軌器，RBCC是具有較高可實現性的動力選擇。但在較低速度范圍內，其性能仍遠遜于燃氣渦輪發動機，使RBCC難以完全滿足未來寬適應性空天飛行器較高的綜合性能需求。

表1 典型RBCC工作模態

表2 典型TBCC工作模態

洛馬公司SR-72 采用的TBCC系統

渦輪基組合動力技術

渦輪基組合動力（TBCC）是燃氣渦輪發動機和沖壓發動機的組合，可以分為并聯式和串聯式兩種。并聯式TBCC渦輪和沖壓模塊分別布置于各自涵道，結構較為簡單，但存在相對較大的結構冗余；串聯式TBCC兩動力模塊共用涵道帶來了結構質量的改善，但存在高馬赫數下渦輪模塊熱防護等技術難點。

1989—1999年，日本發展了采用串聯結構的TBCC HYPR90-C，重點研究了其高溫核心機、進排氣系統、相關試驗設備和方法等，并進行了高空模擬試驗。蘇聯自20世紀70年代起開展了TBCC Ma4 ～4.5地面試驗及模型飛行試驗。美國在ASTP和FALCON計劃中，圍繞推進系統分別開展了RTA和“獵鷹”組合循環發動機技術（FaCET）兩項先進TBCC研究計劃。RTA的研制始于2001年，基于變循環技術，拓展渦輪模塊工作速度極限。FaCET計劃始于2005年，對TBCC的進排氣系統和各部件進行了一體化地面試驗，并著重研究模式轉換速度區間內的性能特征。洛馬公司計劃在SR-72高超聲速飛機上搭載的并聯構型、共用進排氣系統的先進TBCC，高性能、技術風險及成本控制、飛行器/動力一體化優化是計劃的重點。2011年，美國在高超聲速飛機發展路線圖中明確提出要使TBCC在2025年形成裝備。

研究表明，TBCC結合了燃氣渦輪發動機的相對成熟的技術，在性能、技術風險及研制成本等方面體現出綜合優勢。在此基礎上，美、俄等國均期望通過進一步技術突破與優化，早日實現TBCC 的裝備。TBCC 同時存在一定局限性：兩個動力模塊之間的部件共用性較低，存在一定的結構和質量冗余；受限于兩模塊的優勢工作范圍，在模式轉換過程中，存在推力難以平穩接續、進排氣系統性能惡化等技術難點；在較高馬赫數下，對渦扇部件的結構熱防護提出了較高要求，發動機循環加熱量和循環功受到限制。目前，對于高超聲速飛機和TSTO 入軌器的第一級，TBCC 是具備較強性能競爭力和較高技術可實現性的動力選擇。

預先冷卻技術初露鋒芒

在高馬赫數條件下，極高的空氣來流滯止溫度引起的飛行器及發動機材料、結構、性能等問題是高超聲速空天飛行器及動力的主要技術挑戰。預先冷卻技術通過射流、換熱等方式降低發動機進口溫度，以拓展工作范圍、優化高速性能。多循環耦合預冷發動機進一步采用創新的循環設計，基于低溫燃料熱沉及高性能換熱系統，綜合利用及管理燃料化學能、空氣來流動能等能量來源，具備較寬的高效工作范圍和優越的高速性能潛力。

相關研究表明，將射流預冷技術應用于TBCC，能夠拓展其渦輪模塊的有效工作范圍，改善其模式轉換過程中推力不足、性能惡化問題。多循環耦合預冷發動機的突出特征是頻繁、大量的能量傳遞與轉化；發動機內部采用創新的多路并行設計的壓縮放熱系統，能夠大幅減小壓縮功耗和冷卻劑消耗，是保障發動機優勢性能實現的核心部件。

需要指出的是，預先冷卻技術雖已展現出突出的性能潛力，但受到自身技術成熟度及相關產業水平的制約，距大規模應用尚需時日。針對發動機總體和分系統的設計優化、各關鍵部件的設計制造、系統的可靠性和維修性等，仍需開展大量研究。此外，以合理的成本保障低溫燃料的安全便捷供應（包括生產、儲運、加注等環節）、廣泛建立與之適應的機場設施等，也是預先冷卻技術大規模發展應用的前提。

未來寬適應性空天動力發展趨勢與戰略展望

從寬適應性高超聲速空天動力技術的發展可以看出，航空航天技術與產業的深度融合、高性能動力技術對飛行器研制的顯著牽引、高可實現性技術與高性能潛力技術研究的交互促進、新興技術對航空航天產業的跨領域賦能，將成為未來主要的發展趨勢與戰略選擇。

航空航天技術與產業的深度融合

融合首先體現在空天界限的模糊。同型或具有較高技術通用性的不同動力裝置，將被搭載于高速運輸、航天入軌等多種飛行器，如預冷發動機之于高超聲速飛機和SSTO 入軌器、TBCC 之于高超聲速飛機和TSTO 入軌器第一級。這種顯著的通用性，既源于由各飛行器分解至動力系統的技術需求的相似性，也是其高昂研制成本導向的必然結果。

應用的融合須基于技術與產業融合的支撐。例如，目前航空領域的變循環技術，是優化TBCC模式轉換性能的有效途徑；低溫燃料，特別是液態氫的應用，對提升高超聲速空天動力的性能有著重要意義，而航天領域已積累了燃料儲運、保障等方面的研究基礎；在能量管理及熱防護方面，航空、航天在先進高溫材料、換熱及冷卻、被動及主動熱防護等技術上各具特點和優勢。航空、航天共性技術融合有助于優化資源和力量配置，助推關鍵技術突破。

目前，我國航空、航天產業格局呈現依行業區分的特點，在各行業內部擁有完整的縱向技術及產業鏈條，而行業間的交互與融合尚顯不足。面向未來需求，在機制層面打通行業界別，橫向優化整合航空、航天相關共性技術的研究力量，能夠更加有效地支撐高超聲速空天動力技術的突破。

高性能動力技術對飛行器研制的顯著牽引

高超聲速空天動力技術，包含了循環設計、流動機理、先進材料及結構、先進部件、熱管理、控制等一系列關鍵技術，存在極密集的技術難點，是制約飛行器研制成敗的關鍵。高超聲速空天飛行器的研制，是多個方面技術相互影響及優化集成的過程，從各國的研究計劃可以看出，動力系統和飛行器在熱防護及能量管理、材料及結構、氣動設計等方面存在相比于一般飛行器更加緊密的耦合關系，且動力系統在其中扮演著核心角色。以歐洲LAPCAT計劃中的“彎刀”發動機為例，高性能動力系統的特點和性能，能夠決定性地影響飛行器的設計，體現出鮮明的由被動面向飛行器需求、向動力技術主動推動轉變的特征。

在該領域發展過程中，應當充分適應這一趨勢，完善以高性能動力技術攻關為核心的研制體系，以有效保障寬適應性空天飛行器及動力的研制工作。

高可實現性技術與高性能潛力技術研究的交互促進

寬適應性空天動力技術是具備極強的牽引性和輻射性的戰略技術，涵蓋大量較高風險的關鍵技術。在該領域開展研究，須保證其中各項關鍵技術的研究進度、應用前景、技術風險、經濟成本、綜合效用等均有序可控。具有較高可實現性的技術（如組合動力）是對較為成熟技術的集成和再發展，研制進度、技術風險和經濟成本都更加可控；在其發展和應用過程中積累的數據、理論、工具、方法、設備及經驗，能夠成為更先進技術研究的基礎。對于具有較高性能潛力的先進技術（如包含大量新概念與技術的預冷發動機），其階段性研究成果能夠應用于高可實現性型號的改進升級，并在應用過程中實現自身的研究驗證。在宏觀層面，總結反思較高可實現性技術的發展歷程，還能夠為起步較晚的高性能潛力技術研究的規劃及實施戰略形成參考與指導。

立足較為成熟的技術基礎開展高可實現性技術研究，同時培育高性能潛力技術的探索創新，并將階段性成果在前者平臺上應用與驗證，實現二者的交互促進，將能有效推動寬適應性空天動力技術的跨越發展。

高可實現性技術與高性能潛力技術研究的交互促進關系

新興技術對航空航天產業的跨領域賦能

先進技術的研究與應用，從某種角度而言是技術先進性與成本、風險合理性之間折衷的結果，而影響這一最終結果的，除技術自身外，還包括周圍及上下游各項技術的發展特征。未來寬適應性空天動力勢必受到與之相關領域技術進步的影響，新興技術對其跨領域的賦能將發揮不可忽視的作用。

例如，以液態氫為代表的低溫燃料在高超聲速條件下體現出顯著的性能優勢，但其應用仍極大地受制于生產、儲運、維修保障等方面的技術不足、成本高昂及相關基礎設施缺乏?？梢灶A見的是，若低溫燃料供應的成本和可靠性隨著其技術進步與產業發展得到有效保障，高超聲速動力裝置的研究與應用將從技術和經濟兩方面得到推動和刺激。又如，航空發動機為適應工作狀態的改變，傳統設計上均需預留一定裕度，難以精確控制其性能潛力的發揮。而隨著信息化、智能化技術的發展，機械產品基于自主感知、分析和決策，實時、主動適應工作條件并提升性能已逐漸成為可能?？梢钥闯?，通過深度融合智能技術，將使航空發動機的綜合性能得到進一步提升，以適應更加嚴苛的技術需求。

重視對航空航天領域之外各項新興技術發展的調研，積極探索通過跨領域技術融合，實現新興技術對空天產業的賦能，將能夠充分優化先進技術的性能收益、成本和風險的綜合效能，促進寬適應性空天動力技術的發展與應用。

結束語

寬適應性高超聲速空天動力技術作為極具影響力的戰略技術，既具有很強的輻射帶動能力，也受到各領域新興技術及產業發展的顯著影響，是科技與工業綜合實力的體現之一。未來，寬適應性高超聲速空天動力技術的發展與應用將為科技與社會發展提供新動能。