國外高超聲速飛機動力發展研究

秦亞欣，廖孟豪

1.中國航空發動機研究院，北京 101304

2.中國航空研究院，北京 100029

高超聲速飛機是未來軍民用航空器的重要發展方向之一。未來遠程高超聲速偵察/打擊飛機和高超聲速民用客機對動力系統均提出了新的要求。近年來，以美、俄為首的世界航空大國全力推進高超聲速武器裝備發展，尤其是2022年各國都加大了高超聲速技術研究的投入，呈新的軍備競賽的態勢[1-2]。

為了兼顧安全性、經濟性和作戰效能的綜合要求，高超聲速飛機的飛行高度和速度范圍十分寬廣，這就要求動力裝置不僅在寬廣的飛行包線內能夠穩定可靠地工作，還要具備水平起降和重復使用的能力。目前可選的動力方式主要是渦輪、沖壓和火箭，從飛機需求和技術可行兩個方面綜合考慮，都無法實現Ma0～7 高效工作，必須采用組合循環，可以說組合動力裝置是能否實現高超聲速飛行的核心關鍵技術。

本文從作戰需求和技術可行兩個方面深入分析了高超聲速飛機的不同種類組合動力裝置性能，以及不同國家高超聲速動力系統的發展路線和發展模式，聚焦推力陷阱、模態轉換等“瓶頸”難題，將為制定我國高超聲速動力系統發展規劃提供參考和借鑒。

1 不同種類組合動力裝置性能對比分析

由于熱力循環形式不同，不同形式的組合動力系統在不同工作速域的性能存在較大區別，在進行選擇時需結合飛行器的工作任務場景、飛行剖面及工作需求等因素綜合考量。截至目前，國內外研究了多種高超聲速組合動力形式，包括渦輪基組合循環（TBCC）發動機、火箭基組合循環（RBCC）發動機、渦輪火箭沖壓三組合發動機、吸氣式渦輪火箭發動機等。

對不同的組合動力形式進行對比分析，見表1。由表1可知，RBCC作為水平起降飛機動力，低速狀態火箭低比沖嚴重限制了飛機航程；渦輪火箭沖壓三組合動力包括TriJet、TRRE、ATRR、SABRE等，系統復雜，保障性較差，同時動力綜合性能也不如TBCC。TBCC 是目前組合動力的最優形式和未來的發展方向。

表1 不同組合動力形式的對比Table 1 Contrast of dynamic forms of different combinations

2 美國高超聲速動力系統發展趨勢

美國高超聲速組合發動機技術開發主要由政府主導，早在20 世紀50 年代考慮使用吸氣式發動機作為高超聲速飛機動力時，首先采用的就是渦輪基組合循環發動機，但渦輪發動機工作范圍一般不超過Ma3，再加上結構比火箭發動機復雜，所以研究重點從渦輪組合發動機轉向了火箭組合發動機。隨著研究的不斷深入，考慮水平起降、可重復使用等需求，渦輪沖壓組合動力方案近年來又被重點研究。美國通過對高超聲速動力系統的持續探索研究，逐漸明晰了技術路徑、研發模式，組織老牌軍工企業與初創公司同臺競技推進高超聲速技術研發。

2.1 頂層戰略規劃牽引高超聲速動力系統研發

進入21 世紀后，圍繞頂層戰略規劃，美國啟動了多項高超聲速飛機及動力系統的研發計劃，高超聲速推進技術研發計劃見表2。可以看出，美國高超聲速動力系統主要圍繞渦輪沖壓組合動力、高速渦輪發動機、沖壓發動機開展研發工作。2022 年7 月，美國國防部高超聲速領域項目主管Mike White 在高超聲速論壇表明， 美國國防部已制定“國家高超聲速倡議2.0”（NHI 2.0）戰略規劃，這一戰略規劃將加快美國高超聲速技術的發展[3-5]。

表2 高超聲速推進技術研發計劃Table 2 Research and development program of hypersonic propulsion technology

2.2 從基于高速渦輪發動機轉為基于成熟渦輪發動機

美國對高超聲速動力系統技術路徑進行了多種探索與嘗試。2009年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動了模態轉換演示項目，由洛馬公司的“臭鼬工廠”負責，計劃將FACET項目的進氣道、尾噴管、PW9221雙模態沖壓發動機燃燒室與DARPA/空軍聯合支持HiSTED 項目發展的高速渦輪發動機進行集成，形成一臺完整的TBCC動力系統，驗證模態轉換性能。MoTr項目于2012年終止，據分析，由于高速渦輪發動機研制難度大，隨后美國對高超聲速飛機動力的研制思路進行了調整，即將高速渦輪發動機匹配雙模態超燃沖壓發動機調整為成熟渦輪發動機匹配雙模態超燃沖壓發動機[6]。通過射流預冷、閉式循環預冷等技術提高成熟渦輪發動機工作速度上線，滿足近期高超聲速飛機的發展需求；再進一步發展基于Ma4 級的高速渦輪發動機，以滿足長遠Ma0～7高超聲速飛行的需求。

2017年，DARPA啟動先進全速域發動機（AFRE）項目[7]，AFRE發動機結構如圖1所示。該項目旨在綜合獵鷹組合循環發動機技術（FACET）、高速渦輪加速器計劃（HiSTED）、模態轉換演示項目（Motr）和遠程高速發動機（Stelr）等計劃的技術成果，完成Ma0～5級的全尺寸渦輪沖壓組合發動機模態轉換地面技術集成驗證，為未來吸氣式可重復使用高超聲速飛行器提供動力裝置。AFRE 項目使用的成熟渦輪發動機（F405-RR-402）是羅羅公司于1968 年研制的無加力渦扇發動機。

圖1 AFRE發動機結構Fig.1 AFRE engine structure

2.3 高超聲速飛機項目促進組合動力系統研發

近年來，高超聲速動力系統逐步由關鍵技術探索研究轉變為以高超聲速飛機為應用背景的集成驗證與工程研制階段。目前，美國在研的高超聲速飛機項目有2013年洛馬公司提出的SR-72、2018 年波音公司提出的高超聲速客機和“女武神”Ⅱ、2019 年赫爾墨斯公司提出的“夸特馬”高超聲速飛機、2021年NASA牽頭發展的“蒼穹”以及2022年維納斯航空航天公司提出的“觀星者”高超聲速飛機[8-9]。高超聲速飛機項目牽引并促進了高超聲速組合動力系統研發。下面分別介紹各項目采用的動力系統。

2.3.1 SR-72和“女武神”Ⅱ牽引并聯TBCC動力系統研發

洛馬公司和波音公司分別在2013 年和2018 年提出了各自的高超聲速飛機研制項目，即SR-72（見圖2）和“女武神”Ⅱ。二者提出的方案基本一致，巡航速度為Ma5～6 級，均采用并聯式TBCC 發動機，都計劃在2030 年前后完成研制。

圖2 SR-72高超飛機概念圖Fig.2 SR-72 hypersonic aircraft concept

SR-72 動力方案采用射流預冷和“超級燃燒室”技術，將渦輪發動機最大工作速度提升到Ma2 以上，可達Ma3左右；沖壓發動機向下擴包線，使其起動速度更低；渦輪發動機與雙模沖壓發動機并聯布置共用進氣道和尾噴管。2020年成功完成了TBCC模態轉換試驗驗證。

2018 年1 月，波音公司首次公開展出了高超聲速飛機模型，采用大后掠雙三角翼無尾加雙垂尾布局，動力系統采用常規渦輪發動機和雙模態亞燃/超燃沖壓發動機并聯布局。2022年1月，在美國航空航天學會會議上展出了“女武神”Ⅱ高超聲速無人機效果圖，如圖3 所示。兩個方案的共同點是都選擇了并聯TBCC動力系統。

圖3 “女武神”Ⅱ高超聲速飛機模型Fig.3 "Valkyrie" Ⅱ hypersonic aircraft

2.3.2 “夸特馬”牽引串聯TBCC動力系統研發

2020年3月，赫爾墨斯公司完成了高超聲速飛機TBCC發動機縮比驗證機靜態和高速（Ma5）試驗。2021 年7 月，美國空軍聯合私營投資公司授予赫爾墨斯公司價值6000萬美元、為期3年的科研合同，要求完成一型可重復使用的TBCC推進系統和三型“夸特馬”（Quarterhorse）高超聲速驗證機研制及飛行驗證工作，并為后續在驗證機上集成任務載荷提供設計規范和數據積累。“夸特馬”和TBCC 概念圖如圖4所示。“夸特馬”驗證機采用單臺串聯TBCC組合發動機，渦輪發動機采用GE 公司J-85-21 加力式渦噴發動機，在進氣道出口和壓氣機入口之間加裝預冷裝置，使渦輪發動機的工作范圍達到Ma0～3.3；亞燃沖壓和渦輪加力兩種工作模態，工作范圍為Ma2.8～5。

圖4 赫爾墨斯“夸特馬”和TBCC概念圖Fig.4 Hermes “Quarterhorse” and TBCC concept

2022 年6 月，赫爾墨斯公司宣布已完成“夸特馬”高超聲速飛機發動機“奇美拉”（Chimera）的地面縮尺試驗，如圖5 所示。2022 年12 月，赫爾墨斯公司宣布選定普惠公司的F100-229渦扇發動機作為“奇美拉”TBCC動力系統的渦輪發動機，F100 將飛機從Ma0 加速到Ma2.8，然后過渡到沖壓模態繼續加速到Ma5的目標速度。

圖5 赫爾墨斯縮尺TBCC試驗Fig.5 Hermes scale TBCC test

2.3.3 “蒼穹”牽引TBCC動力系統和復合材料研發

2021 年2 月，NASA 向通用電氣公司授出總金額1300萬美元、為期5年的研發合同，為“蒼穹”高超聲速飛機研發TBCC和耐高溫陶瓷基復合材料。通用電氣公司擬研究并分析F101渦扇發動機是否適用于“蒼穹”高超聲速飛機。

2.3.4 “觀星者”牽引下一代高效率零碳排放動力研發

2022 年6 月，維納斯航空航天公司報道稱“觀星者”是一種速度達Ma9的高超聲速飛機。“觀星者”采用新穎外觀設計、下一代發動機技術以及先進的冷卻裝置。發動機采用某種高效燃料，碳排放只占普通發動機的3%，具有更為高效的發動機效率。按照計劃，“觀星者”將在2023年啟動亞聲速和超聲速縮比無人飛行器的飛行試驗。

3 歐洲高超聲速動力系統發展趨勢

高超聲速客機作為未來民用航空的重要發展方向之一，受到歐洲國家的高度重視。

（1） 在科技框架計劃下開展高超聲速推進系統研發

從2005 年開始，在歐盟先進推進概念與技術計劃LAPCAT-I 和LAPCAT-Ⅱ的資助下，多個成員國聯合開展了巡航速度Ma4～8 的高超聲速民用飛機以及吸氣式推進系統方案可行性研究和技術驗證工作。

研究重點集中在空氣動力學技術、推進系統技術和燃燒建模技術方面。其中，空氣動力學領域的工作主要包括機身與推進系統的綜合及進氣道設計；推進系統的工作主要集中于噴氣式發動機和沖壓發動機的研究；燃燒領域的工作主要集中于低污染燃燒室的研究。

（2） “彎刀”（Scimitar）發動機采用強預冷技術

在歐洲航天局和英國政府的支持下，英國和比利時等國聯合提出了一種適用于Ma5飛行的高超聲速發動機，即“彎刀”，如圖6 所示。該方案采用強預冷和閉式循環等新技術，與渦輪沖壓組合動力相比，具有明顯的技術優勢，避免了渦輪沖壓組合動力模態轉換時的推力鴻溝的問題、組合動力結構復雜和重量大的問題。“彎刀”發動機工程應用的技術難點是：高效、輕質換熱器技術，循環工質以及對轉渦輪技術等。

圖6 “彎刀”發動機方案Fig.6 “Scimitar” engine solution

（3） “佩刀”發動機采用閉式循環

“彎刀”發動機和“佩刀”發動機均屬于多循環耦合預冷發動機，相較于單一循環預冷發動機，增加了閉式布萊頓（Brayton）循環。“佩刀”（Sabre）發動機從原理上看，是“彎刀”發動機與火箭發動機的組合，如圖7 所示。“佩刀”發動機采用吸氣式發動機加速到Ma5.5，再用火箭發動機進一步助推，實現單級入軌。“佩刀”發動機能夠讓太空發射的成本降低95%。

圖7 “佩刀”發動機方案Fig.7 “Sabre” engine solution

（4）軍用高超聲速飛機“5號方案”

2022年7月，英國皇家空軍快速能力辦公室、國防科學與技術實驗室、羅羅公司和反作用發動機（REL）公司在范堡羅航展上聯合公開展出了名為“5號方案”（Concept V）的軍用高超聲速飛機方案（見圖8）。“5號方案”出自高超聲速航空器試驗（HVX）項目，采用集成預冷器、渦輪發動機、加力/亞燃沖壓燃燒室的組合動力方案。依靠渦輪發動機起飛至Ma3左右，然后開始模態轉換，加力/沖壓燃燒室加速到Ma5。REL 公司還探索了在模態轉換之后仍可利用預冷器和渦輪發動機提供熱管理和電功率的可行性。HVX項目計劃在2030年后實現Ma5+飛行。

4 啟示與建議

國內高超聲速飛機動力系統研發，欠缺Ma7 組合動力、高速渦輪發動機和大尺寸雙模態超燃沖壓發動機的工程經驗，本文提出以下啟示建議，希望能促進高超聲速飛機動力的發展。

（1） 循序漸進開展研發工作

渦輪沖壓組合發動機研發工作具有高風險、高耗資的特征，要綜合考慮技術風險、研發周期和研發成本等因素，采用分步研發策略，循序漸進推動高超聲速動力技術的成熟。例如，從基于采用成熟渦輪發動機到基于高速渦輪發動機；先突破Ma5 級渦輪沖壓組合動力關鍵技術，再進行Ma7 級的組合動力技術攻關；遵循“單項關鍵技術攻關—關鍵技術集成—飛行演示驗證—工程研制—產品應用”的技術發展路線，循序漸進，分階段開展研究。

（2） 加強全尺度試驗驗證和飛行驗證力度

渦輪組合發動機由于涉及復雜的燃燒過程，進行縮尺試驗驗證的結果不具備可靠性。美國空軍在開展X-51A的超燃沖壓發動機研究的同時就啟動了更大尺寸超燃沖壓發動機的研究工作。關鍵技術攻關基本通過部件模型試驗、地面試驗、飛行試驗梯次展開，逐步驗證。通過開展飛行試驗，可以在實際飛行環境中驗證組合動力系統的可靠性，逐步掌握和驗證組合動力的關鍵技術。

（3）構建全壽命周期的高超聲速飛發協調機制

高超聲速飛機及其組合動力系統對飛/發融合設計的需求程度更高。還要解決飛/發綜合能熱管理等問題，需開展飛/發結構一體化、氣動熱防護等專項研究。要做好周密的頂層規劃部署，建議飛機研制方與發動機研制方成立聯合工作組，定期聯合現場辦公，交叉校驗，實現深度專業化分工條件下的規劃發展協調、技術融合發展、科研生產同步、維護保障融合推進。

（4） 加強大尺寸動力試驗條件建設

高超聲速組合動力的試驗涉及組合技術、高速渦輪發動機、綜合能熱系統等多個技術領域，系統復雜，建議加快對現有航空發動機基礎試驗設施進行升級建設，特別是寬速域試驗臺及全尺寸地面試驗條件建設，快速提升地面試驗能力。