高超聲速飛行器及推進系統研究進展

齊偉呈，程思野，李 堃

（中國航空研究院，北京 100012）

飛行器的速度和高度一直是歷代戰機研制和發展所看重的關鍵性指標[1]。從冷戰時期美國的SR-71帶給世人的沖擊（如圖1所示），到目前世界僅存的“雙三”戰機（米格-31，如圖2所示），這些飛行器都在證明著一個發展趨勢：飛行器飛得越快、越高才能真正把握戰爭主動權，立于不敗之地。高超飛行領域正突破著一項又一項關鍵技術，取得了令人矚目的研究成果。以美國、俄羅斯為首的航空軍事強國都在馬不停蹄地推動著自己高超聲速飛行領域的研制進度，加快試制、試驗各自的高超聲速裝備，建立對超遠目標的快速有效打擊能力。

圖2 米格-31高速截擊機

高超聲速通常是飛行高度低于90 km、馬赫數不小于5、采用吸氣式發動機作為動力、具備長航程飛行能力的一項技術。該技術的不斷發展將有效加快高超聲速飛機、導彈等新型裝備的誕生，具有重大的軍事和經濟效益，因此該技術成為美國、俄羅斯等主要大國爭相開展的前沿研究。

超燃沖壓發動機被認為是當前高超聲速飛行器的最優動力選擇，其無需攜帶氧化劑、可從大氣中直接捕獲空氣，有效增加飛行器航程；同時，也不帶有轉子類部件，大幅度降低結構復雜度和減輕重量，提高推比性能。因此，超燃沖壓發動機已成為各國關注的核心研究技術。然而，超燃沖壓發動機只有在較高的馬赫數條件下才能實現起動，無法自地面起動并完成全包線范圍內的自主飛行。因此，國內外眾多研究人員提出將沖壓、渦輪和火箭發動機進行多種形式的組合，產生了TBCC，RBCC和Trijet等多種組合循環發動機的形式，從而實現自地面起動并完成全包線范圍內的自主飛行。

1 國外研究進展

1.1 RTA計劃

2001年，美國國家航空航天局開展了新型渦輪加速器計劃（RTA），其發動機如圖3所示。研究方向為串聯式TBCC技術，主要關鍵技術有：飛發一體化設計、先進變循環渦輪發動機設計、超燃燃燒室設計、非對稱膨脹噴管設計、綜合熱管理和模態轉換等技術。RTA主要分為2期：第一期（RTA-1）發動機的基本構型為雙外涵變循環發動機，采用地面試驗的方式驗證寬速域范圍內的推進系統特性；在第一階段的研究基礎上，第二期（RTA-2）以驗證飛發一體化設計技術和TBCC發動機性能、可靠性及耐久性為目的開展研究。在2010—2011年期間，RTA-2項目在X-43B飛行器上開展了飛行試驗，驗證了其飛發一體化設計、超燃燃燒室設計和非對稱膨脹噴管設計等相關技術。

圖3 美國RTA-1發動機

1.2 FaCET計劃

2005年，FALCON計劃啟動了獵鷹組合循環發動機試驗（FaCET），主要進行了發動機的一體化設計、燃燒室設計和后體/尾噴管設計等相關技術研究。本計劃共分2期：第一期主要開展了一體化前體/進氣道、雙模態沖壓燃燒室及一體化后體/尾噴管這3個主要部件的研究，并完成了部件級縮比模型地面試驗；第二期主要開展發動機的自由射流試驗驗證項目。本項目目標主要是開發、驗證使用碳氫燃料的可重復使用組合循環發動機技術，該推進系統是由HiSTED計劃所研究的雙模態沖壓發動機與渦噴發動機組合而成TBCC發動機。該發動機在渦噴單獨工作模式下，可使飛行器從地面靜止狀態加速至Ma=2.5；在渦噴和沖壓共同工作模式下，飛行器可以從Ma=2.5加速至Ma=3.5；在沖壓發動機單獨工作模式下，飛行器可以從Ma=3.5繼續加速至Ma=6.0。FALCON計劃所設計的高超聲速飛機（HTV-3X）的概念圖如圖4所示，其可以完成從普通跑道起飛加速至Ma=6.0的可重復飛行任務。

圖4 HTV-3X高超聲速飛行器

1.3 AFRE計劃

2017年美國正式開展先進全速域發動機計劃（AFRE），項目計劃采用當前成熟渦輪發動機和適當改進的沖壓發動機組合形成一款全新的TBCC發動機，并進行多種工作狀態的地面試驗，驗證TBCC發動機用于高超聲速飛行器的可行性，以確認其是否具有工程化應用前景。AFRE計劃共分為2期：第一期包括TBCC發動機部件級仿真設計、加工試制和試驗驗證，并開展整機級研究和設計工作；第二期包括整機級裝備集成和相關試驗驗證。2017年9月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）分別與Aerojet Rockerdyne和ATK公司達成了AFRE項目合同，主要開展TBCC組合發動機的地面試驗驗證。2018年11月，DARPA再次與Aerojet Rockerdyne公司簽署項目合同，合同內容主要為加工試制最高飛行馬赫數達到Ma=6.0以上的高超聲速飛行器。

1.4 波音公司高超飛機項目

2018年1 月，波音公司第一次公開其高超聲速飛行器，其概念方案如圖5所示，使得波音公司成為美國洛馬公司之后第二家對外公布其高超飛行器方案的美國公司。波音公司在采用吸氣式組合動力發動機的高超聲速飛行器領域有著深厚的技術積累，X-15、X-43A、X-51和XB-70等高超聲速飛機均出自波音公司。同時，該公司于2009年已經完成過一款高超聲速飛行器（Manta 2025）的設計。此次公開的高超聲速飛行器采用兩臺并聯式TBCC發動機，且兩臺TBCC發動機并排分布布置，飛行器與發動機實現了高度一體化設計，可實現最大馬赫數Ma=7.0以上的高速飛行。按照計劃，2020年年底波音公司應該已經完成了該飛行器的型號研制工作。

圖5 波音高超聲速飛機

1.5 ATRDC計劃

在TBCC組合發動機研究領域，俄羅斯的主要技術方向和研究成果是預冷空氣渦輪發動機（ATRDC），該發動機使用預冷器技術，利用氫燃料預冷發動機進口空氣并帶動壓氣機工作。在壓氣機進口溫度范圍為98～112 K和工作壓比為40時，此款發動機工作在Ma=0～6速域內，能夠實現2 500 s以上的比沖性能，推重比更是高達18～222。但是，此款發動機存在預冷器結構笨重和氫燃料浪費的嚴重缺陷，預冷器重量約為整機重量的40%，因此工程應用價值較差。

1.6 ATREX計劃

在TBCC組合動力研究領域，日本的起步較早且具有較為豐富的預冷技術研究儲備。在雙級入軌空天飛機的研究過程中，石川重工和日本航空宇宙技術研究所共同設計了一款帶有空氣預冷器的渦輪和沖壓組合循環發動機（ATREX），其方案如圖6所示。該發動機主要由空氣預冷器、進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管等部件組成。預冷器的冷卻劑采用氫燃料，相關研究團隊在預冷器結構設計方面，開展了大量研究和試驗驗證工作，證明了預冷技術可以降低發動機進氣溫度，有效提高整機性能水平。但在預冷器中出現霜凍問題時，預冷過程的熱交換能力將下降15%～20%，該問題可采用定量噴入壓縮空氣或低溫液體實現一定程度上的抑制效果。JAXA在ATREX推進系統的技術基礎上，完成了高速渦輪發動機的研制工作，在2014年2月順利完成試驗驗證。此款發動機存在著推重比性能較差、無法實現寬速域范圍內的高比沖、氫燃料的使用安全等問題，但是該項目的研究成果表明空氣預冷技術在未來高速渦輪發動機研制過程中有著巨大潛力。

圖6 日本預冷高速渦輪發動機

1.7 LAPCAT計劃

2005年，歐洲各國聯合開展了長期先進推進概念和技術計劃（LAPCAT），主要分為兩階段開展工作。第一階段的主要研究目標為飛行馬赫數可達Ma=5.0、采用氫氣作為燃料的預冷發動機（如圖7所示），相關關鍵技術包括：發動機預冷技術、變循環發動機技術、非對稱尾噴管驗證和超燃燃燒室技術等。第一期計劃的研究驗證了變循環渦輪基組合發動機的可行性。第二期主要計劃開展高超聲速民機項目的初步方案設計等工作。

圖7 Scimitar發動機結構圖

2 國內研究進展

2.1 研究所

我國在高超聲速研究領域的起步較晚，在20世紀90年代中期，沈陽發動機研究所的諸惠民[2]開展了串聯式TBCC發動機基準方案的研究，主要包括一體化性能、結構與布局設計和部件級相關設計工作。在TBCC發動機總體性能和部件級方面的研究，中國燃氣渦輪研究院等研究所的科研人員開展了較為詳細的并聯式TBCC發動機部件級研究[3]。

2.2 高校

哈爾濱工業大學、南京航空航天大學和西北工業大學等高校對并聯式TBCC發動機進行建模和仿真研究，得到了發動機全包線范圍內的工作特性[4-6]。北京航空航天大學的陳敏等開展了串聯式TBCC發動機模態轉換過程相關研究。南京航空航天大學的張華軍等[7]開展了TBCC發動機的內、外并聯兩種構型的進氣道設計方法研究。西北工業大學的張建東開展了TBCC發動機進氣道初步方案設計研究。西北工業大學的王占學等[8]開展了串聯式TBCC發動機的總體性能計算、進/排氣系統一體化設計等方面的研究。

3 結論

隨著空戰在現代戰爭中地位的不斷增強，高超聲速技術的重要性將更加凸顯。根據對當前世界各國在高超聲速飛行器及推進系統領域的研究現狀和發展趨勢推斷：各世界航空強國在高超聲速領域均已經取得相當大的技術突破，工程化研制進展已遠遠領先國內相關技術水平。而當前我國高超聲速領域所取得的突破大多來自高校的基礎性研究，研究所等工程單位的工程化研究較少，高超聲速飛行器轉化為武器裝備仍任重道遠。因此，綜合我國相關技術領域的發展和需求，未來可在以下方向開展研究。

（1）加速可重復使用高超聲速飛行器的工程化研制，重點推進水平起降飛行技術的研究，有效控制未來武器裝備的使用成本。

（2）高超聲速領域最核心的技術當屬推進系統，加大TBCC等組合動力系統的研究投入，加強相關工程技術攻關，突破核心技術難題。

（3）高超聲速飛行器與推進系統具備高度一體化的特點，應不斷深化飛發一體化設計方針，提升高超聲速飛行器的綜合性能。