组合动力飞行器技术发展

彭小波

（中国运载火箭技术研究院组合动力飞行器技术研究中心，北京，100076）

特约稿件

组合动力飞行器技术发展

彭小波

（中国运载火箭技术研究院组合动力飞行器技术研究中心，北京，100076）

组合循环动力技术是多种传统动力技术的有机融合，可有效拓展飞行器的速域和空域包线，是先进航天技术的重要发展方向。对组合循环动力技术发展历程及现状进行了总结，分析了组合循环动力技术在重复使用天地往返飞行器、高超声速飞行器方向的应用发展情况，研究并概括了其技术发展趋势，提出了在组合动力飞行器技术领域的发展建议。

组合循环动力；组合动力飞行器；重复使用天地往返飞行器；高超声速飞行器

0 引 言

随着航天技术的不断发展，单一类型的动力形式在满足天地往返运输系统快速、廉价、自由往返空间和高超声速飞行器多任务飞行等需求方面存在的差距越来越明显[1,2]。组合循环动力（以下简称组合动力）技术可将两种或以上的动力类型有机结合，各动力单元相互融合，功能相互补充，针对不同飞行阶段，采取最高效的动力推进方式，最大限度地发挥不同动力的优点，从而大大拓展飞行器的高度-速度包线[3]。组合动力技术应用于航天运输，可为天地往返系统提供低成本、高性能的动力系统方案；应用于高超声速飞行器，可显著拓宽飞行包线、提高机动能力。

组合动力技术是液体火箭发动机、涡轮发动机等技术与冲压发动机技术的有机结合。与单一类型的动力相比，组合动力可发挥不同类型动力技术在各自工作范围内的技术优势，具备工作范围宽、平均比冲高、使用灵活便捷等技术特点。目前组合动力类型主要有：火箭基组合循环（Rocket Based Combined-Cycle，RBCC）动力、涡轮基组合循环（Turbine Based Combined-Cycle，TBCC）动力、预冷类组合动力等。

1 组合动力技术发展概况

1.1 火箭基组合循环

自20世纪五六十年代以来，美国、日本、法国和俄罗斯等航天大国都在积极开展火箭基组合循环（RBCC）的理论分析和试验研究，取得了大量研究成果。RBCC发动机的研究工作大体可以划分为3个阶段：

早期研究（1950～1970年）：20世纪五六十年代，美国已经开始RBCC发动机探索研究，主要集中于引射和亚燃模态，发动机采用固定几何轴对称构型，典型的发动机方案包括ERJ和SERJ两种发动机方案[4]。

中期研究（1980～2000年）：该阶段由NASA主导，国家空天飞机计划（NASP）极大地带动了吸气式高超声速推进技术的发展。NASP计划后，美国在先进空间运输技术计划（ASTP）带动下，RBCC发动机的研究进入高潮，主要研究成果也集中于这一时期。主要包括航空喷气公司的Strutjet[5,6]发动机方案，NASA格林研究中心（GRC）的GTX[7,8]方案，Rocketdyne公司的A5[9,10]方案，ISTAR[11]飞行试验项目，以及日本和欧洲的RBCC发动机方案，完成了大量的试验验证，为技术快速发展奠定了坚实的基础。

近期研究（2000年-）：美国在NASA、DARPA、空军和国防部的主导下，主要在CCE和ISTP等计划下开展了一些新型结构发动机的研究工作，单项技术得到了深入验证，对RBCC在天地往返领域的应用开展了多方案研究。目前，美国主要发展引射火箭推力增强技术、模态转换技术、塞式喷管技术及进排气系统动态工作技术，拟于2020年后进行飞行试验。日本JAXA已完成亚声速到超声速的引射模态飞行试验验证，覆盖引射模态、亚燃模态及超燃模态的自由射流试验，如图1所示，计划5年内开展RBCC动力飞行验证试验。

图1 日本RBCC试验情况

1.2 涡轮基组合循环

20世纪50年代，美国开展了空天飞机计划（Aerospace Plane），其初始概念中，涡轮基组合循环（TBCC）就是其动力系统的备选方案之一。应用于SR-71的J-58发动机是最早的TBCC发动机。后来，在ASTP计划的带动下，NASA还专门成立了RTA计划，发展一种满足低成本并且安全进入太空所需的重复使用的低速段TBCC推进系统，使飞行器能像飞机一样起飞，从而大幅度降低发射费用，提高安全性，并可利用现有的机场地面设施，引发太空飞行的革命性变化。RTA[12,13]计划以格林研究中心牵头（GRC），兰利研究中心（LaRC）、马歇尔航天飞行中心（MSFC）、空军和海军航空兵武器系统部（NAVAIR）参与其中。

GE公司制造了TBCC发动机的地面验证机RTA-1、RTA-2，并做了大量的地面试验。RTA计划对串联式TBCC开展了大量探索性研究，认为串联式TBCC发动机虽然具有轮廓尺寸小、重量轻等优点，但其受飞行马赫数的限制较大，在高马赫数飞行时难以保护涡轮发动机，且涡轮发动机在气路中会造成较大的性能损失，进而导致高马赫数状态性能欠佳。这可能是FaCET计划和SR-72平台都采用并联式TBCC的主要原因。

FaCET计划由DARPA和美国空军联合赞助，总承包商为洛·马公司，发动机由普·惠火箭动力公司负责研制。该TBCC发动机由双模态冲压发动机和RTA计划中研究的涡喷发动机组合而成。FaCET计划把TBCC重要部件组合到一起，进行了地面试验和自由射流试验。尽管自由射流试验中没有真实的涡轮发动机，但模拟给出了涡轮流道，为真正开展涡轮发动机与冲压发动机的一体化试验奠定了基础，使TBCC部件集成技术得到了验证。FaCET项目设计和试验验证结果使美国空军增强了对TBCC的发展信心[14]。

在洛·马公司公布的SR-72最新方案中，Ma＝6高超声速飞行器采用并联式TBCC发动机。图2为美国SR-72的TBCC动力系统方案。该项目的技术源自FALCON计划的HTV-3X[15]项目，特别是动力装置。SR-72计划在2018年进入验证机开发阶段，并在2023年实现首飞。

图2 美国SR-72的TBCC动力系统方案

DARPA近期在TBCC技术方面开展了先进全速域发动机（AFRE）研究[16]，计划研发一种能在马赫数在0～5+范围内无缝连接工作的重复使用、碳氢燃料全尺寸TBCC发动机，以支撑实现能够在拒止环境下执行情报监视与侦察（ISR）任务的高超声速飞机。

1.3 预冷类组合动力

国外在20世纪50年代提出了预冷循环发动机概念，经过数十年的发展，其系统方案经过反复的改进和优化，关键技术也得到了一定的验证，其发展历程大致可以分为3个阶段：

第1阶段（20世纪50年代），主要是概念研究阶段，提出了液化循环发动机（LACE）概念，开展了一些理论方面的分析工作，没有实质性的研究[17]。

第2阶段（20世纪90年代），这一阶段是预冷循环发动机发展的重要时期，参与研究的国家包括美国、日本、俄罗斯、英国等，提出了十余种预冷循环发动机方案，并开展了大量的试验验证工作，核心技术空气预冷技术得到了深入验证，这一时期液化空气循环发动机方案得到了重点研究，但由于空气液化分离技术上的巨大挑战[17]，后来逐渐集中于空气深冷循环。

第3阶段（21世纪初至现在），大多预冷循环发动机研究计划停止，但是空气预冷技术得到了持续发展，目前研究工作较为深入的国家主要是英国和日本，典型的是英国的佩刀（Synergetic Air-Breathing Rocket Engine，SABRE）发动机，如图3所示。

图3 英国SABRE发动机

2013年，英国反应发动机公司（REL）成功完成了SABRE发动机核心部件预冷器的全尺寸演示验证试验[18]。英国政府宣布投资SABRE试验发动机项目6000万英镑。2015年，美国空军实验室给出了SABRE发动机评估分析，认为其具有较好的发展潜力，计划进一步加深合作。英国宇航系统公司（BAE）投资反应发动机公司及其SABRE试验发动机项目2000万英镑，开展技术合作，加速研发新型SABRE发动机。

2 总体应用发展概况

组合动力可有效拓展传统航空类飞行器的飞行速域和空域，使飞行器具备跨域飞行能力。在发展过程中，逐步形成了重复使用天地往返飞行器及高超声速飞行器两条应用途径。

2.1 重复使用天地往返飞行器方向

适应进入空天所经历的全速域、全空域飞行条件是组合动力技术概念提出的最主要原因。组合动力空天飞行器能够从普通机场起飞和着陆，可实现低成本、常规化、灵活可靠的航天运输，具有军事上和民用上的双重意义。图4为组合动力天地往返系统技术发展路线。

图4 组合动力天地往返系统技术发展路线

20世纪60年代，美国提出“重复使用航天运输系统研究（RLV）”计划，重点开展了ERJ、SERJ两型RBCC发动机研究，验证了引射和亚燃冲压模态性能。70年代，由于大量经费用于航天飞机研制，RLV计划终止，组合动力技术陷入低谷。

20世纪80年代，基于航天飞机的成功研制经验，以及吸气式动力的突破性进展，各国掀起了组合动力天地往返系统的研究高潮。美国提出“国家空天飞机（NASP）”计划及X-30单级入轨飞行器，对多种RBCC动力系统开展了大量研究[19]；英国提出“HOTOL”单级入轨空天飞机，以一种新型吸气式火箭发动机作为动力系统[20]；德国提出“桑格尔”两级入轨运载器，其中一子级采用TBCC动力，二子级采用液体火箭发动机[21]。

20世纪90年代初，由于技术水平无法支撑完全重复使用天地往返系统的研制，各国组合动力天地往返系统研究计划相继终止，但其研究成果为后续的关键技术突破奠定了良好的基础。NASP计划后，美国主要聚焦于组合动力关键技术及制约组合动力应用的超燃技术的研究，并在NASA、DARPA和空军的支持下，相继通过多项计划对以RBCC为代表的组合动力技术开展研究。

英国在“HOTOL”计划终止后，在其基础上，成立英国喷气发动机有限公司，开展了“SABRE”复合预冷发动机及“SKYLON”单级入轨运载器研究。

2.2 高超声速飞行器方向

航空技术的发展是一个追求速度的历史。在20世纪50年代突破“声障”后，高超声速飞行成为了航空技术发展的追求目标之一。图5为组合动力高超声速飞行器技术发展路线。

图5 组合动力高超声速飞行器技术发展路线

20世纪50年代末，由于涡轮喷气发动机发展较为成熟，美国在最初考虑使用吸气式发动机作为高超声速飞行器动力时，以涡轮发动机为基础的组合循环发动机是其重要的研究方向之一。

20世纪60年代初，为了在冷战军备竞赛中掌握主动，美国提出了高空高速战略侦察/轰炸机方案，其最大飞行速度达到了Ma=3.2，其侦察机型最终发展为SR-71高速侦察机。SR-71采用的J-58发动机为涡轮动力与亚燃冲压动力的结合，实质上是一种串联TBCC动力。目前，SR-71仍保持着吸气式动力有人驾驶飞行器的最大飞行速度记录。

20世纪90年代末SR-71退役后，美国希望研制一型飞行速度更快的飞行器替代SR-71。进入21世纪后，超燃冲压动力取得初步突破，支撑了涡轮动力和双模态冲压（亚燃、超燃）动力相结合的并联TBCC技术发展，该动力可有效拓宽串联TBCC的工作马赫数上限，提高最大飞行速度。

21世纪初，美国提出FALCON计划，研制高速巡航飞行器（HCV）是其研究目标之一，HTV-3X作为HCV的验证机而开展研究。HTV-3X采用并联TBCC技术，最大速度可达Ma＞6。由于经费紧张等一系列原因，2009年，美国取消了对HTV-3X的经费支持。在HTV-3X的研究基础上，2007年，洛·马公司提出SR-72飞行器概念。该飞行器也采用并联TBCC动力，可用作ISR甚至打击任务。

除重复使用天地往返飞行器及高超声速飞行器之外，在组合动力技术发展过程中，中间成果也逐步实现了向工程应用的转化。

20世纪60年代，在高超声速研究发动机（HRE）计划的支持下，开展了全尺寸超燃冲压发动机地面风洞试验。同时，提出了SCRAM导弹计划，对高超声速导弹总体与超燃动力技术开展了一系列研究[22]。

20世纪90年代，基于NASP计划对超燃动力研究的技术基础和快速响应、远程打击的现代化战争需求，美国提出“可承受快速响应导弹演示（ARRMD）”计划，该计划包括空军和海军的两种方案，其中空军方案发展为后续的X-51A飞行器，海军方案发展为后续的HyFly导弹[23]。

21世纪，美国提出“快速全球打击（PGS）”体系，并加快了对高超声速导弹的支持力度。X-51A的4次飞行试验对基于碳氢燃料主动冷却双模态冲压发动机进行了全面验证，但基于双燃烧室冲压发动机的HyFly导弹3次带动力飞行试验均以失败而告终。2014年，在X-51A及HyFly的技术基础上，美国提出“高超声速吸气式武器概念（HAWC）”计划，推进吸气式高超声速飞行器的武器化。

3 技术发展趋势分析

通过对组合动力飞行器技术研究历程和发展情况的分析可以看出，组合动力飞行器技术领域发展趋势有如下特点：

a）组合动力飞行器技术复杂程度高、难度大，涉及气动/推进一体化、高效热防护、轻质结构与材料、超声速燃烧、大范围变工况火箭、高速涡轮等多项前沿技术。NASP计划之后，美国更加注重关键技术的研究和突破，通过X-43A 3次飞行试验，验证了气动/推进一体化设计、氢燃料超声速燃烧等关键技术；通过X-51A 4次飞行试验，验证了碳氢燃料超声速燃烧、发动机主动热防护等关键技术，为组合动力技术的突破和应用奠定了技术基础。

b）受应用方向、传统优势、技术积累等方面的影响，不同国家、不同研究机构在组合动力技术方面形成了不同的技术发展路线。美国自20世纪60年代即开展了RBCC、TBCC等组合动力技术研究，同时，基于天地往返飞行器和高超声速飞行器的应用牵引，以及其火箭发动机、涡轮发动机的传统技术优势，目前美国在组合动力技术方面的主要研究仍聚焦于RBCC、TBCC两类组合动力技术方向，针对不同动力方案开展部件及系统集成研究；英国基于液化空气循环发动机研究基础，提出了HOTOL空天飞机方案，在吸气式火箭发动机RB545的基础上，提出了复合预冷组合循环发动机SABRE方案，并以此作为单级入轨运载器的动力选择。

c）在瞄准天地往返应用目标开展技术研究的同时，根据不同应用背景逐步开展中间成果转化应用。美国提出吸气式高超声速技术发展路线，在明确天地往返应用目标的同时，拟根据动力及总体应用关键技术不同阶段的突破程度，逐步应用于高超声速飞行器等领域，支撑组合动力飞行器技术研究的持续开展和不断深入。

d）在开展关键技术研究的同时，注重技术研究和试验方法的发展，强调通过飞行试验对关键技术突破情况的验证和考核。国外在开展吸气式高超声速技术研究过程中，注重基础理论研究与地面试验相结合，先开展基础理论分析，同步开展地面缩比试验，验证技术可行性，并通过地面试验技术发展支撑关键技术突破，最后通过系统集成飞行演示试验验证和考核关键技术突破情况，分步骤有序推动组合动力飞行器技术发展。

e）组合动力飞行器技术经过多年发展，部分技术已经具备开展工程应用的条件，例如超燃动力技术，经过近二十年的发展，特别是通过X-51A 4次飞行试验验证，作为组合动力技术基础的超燃动力技术已经实现初步突破，具备转化为高超声速导弹武器的条件。目前，DARPA正在通过“高超声速吸气式武器概念（HAWC）”项目，继承X-51A高超声速飞行器的研究成果，推动高超声速导弹武器的实战化。可以预见，随着超燃动力这一制约组合动力发展的技术的突破，组合动力飞行器技术必然进入更加快速发展的阶段。

4 发展建议

国外在组合动力飞行器技术方面经过60余年的研究，积累了大量的试验数据，突破了多项关键技术，获得了丰富的研究成果，其研究方法及思路值得学习与借鉴。总结国外组合动力飞行器技术的发展历程，建议如下：

a）结合关键技术研究进展，持续开展组合动力飞行器技术领域发展规划动态研究，建立国家顶层发展规划，明确长期发展路线，指引技术不断发展。

b）瞄准未来天地往返应用方向，加强典型组合动力技术形式探索研究，跟踪技术前沿动态，分析各技术方案优劣势，深入开展关键技术研究及应用途径分析。

c）强调基础关键技术研究、地面试验与研究性飞行试验逐步推进的方式开展关键技术研究，通过各阶段研究的逐步递进，强化技术基础，逐步提升技术成熟度，推动关键技术突破。

d）各优势单位应加强技术联合研究力度，聚焦主要应用目标，聚力推动组合动力飞行器技术领域核心关键技术快速突破，为领域的快速发展奠定基础。

5 结 论

组合动力飞行器技术是支撑未来重复使用天地往返飞行器、高超声速飞行器技术发展与应用的核心技术，是未来先进航天技术的重要发展方向。应从国家层面给予重视，统一技术领域发展规划。现阶段应着重致力于突破制约组合动力飞行器技术应用的基础瓶颈关键技术，通过地面研究、飞行试验等途径，提升技术成熟度，明确应用发展方向和技术途径，为未来组合动力飞行器技术的工程应用奠定基础。

[1] Chiesa S, Grassi M, Russo G. A small-scale low-cost technology demonstrator of a reusable launch vehicle[R]. AIAA Paper 2005-3346, 2005.

[2] Hank J M, Franke M E. TSTO reusable launch vehicles using airbreathing propulsion[R]. AIAA Paper 2006-4962, 2006.

[3] 彭小波. 组合循环动力技术在天地往返领域的发展与应用[J]. 导弹与航天运载, 2013(1): 324.

[4] Foster R W, Escher W J D, et al. Studies of an extensively axisymmetric Rocket Based Combined Cycle (RBCC) Engine Powered Single-Stage-to-Orbit (SSTO) Vehicle[R]. AIAA Paper 1989-2294, 1989.

[5] Siebenhaar A, Bulman M J, et al. The strutjet rocket based combined cycle engine[D]. GenCorp Aerojet, 2000.

[6] Sieberihaar A, Buhnan M. Development and testing of the aerojet strutjet combustor[R]. AIAA Paper 1999-4868, 1999.

[7] Yungster S. Analysis of a new rocket-based combined-cycle engine concept at low speed[R].AIAA Paper 1999-2393, 1999.

[8] Thomas S R, Palac D T, et al. Performance evaluation of the NASA GTX RBCC flowpath[C]. ISABE 2001-1070, 2001.

[9] Goldman R G, et al. Rocketdyne RBCC engine concept development[C]. Florence, Italy: ISABE-99-7179, 1999.

[10] Smart M K, Trexler C A, Goldman A L. A combined experimental/ computational investigation of a rocket based combined cycle inlet[R]. AIAA Paper 2001-0671, 2001.

[11] Quinn J E. Istar: project status and ground test engine design[R]. AIAA Paper 2003-5235, 2003.

[12] Bartolotta P, McNelis N. NASA’s advanced space transportation Program-RTA project summary[R]. NASA，2002.

[13] Shafer D G, McNelis N. Development of a ground based mach 4 + evolutionary turbine accelerator technology demonstrator (RTATD) for access to space[R]. ISABE 2003-1125, 2003.

[14] Mamplata C, Tang M. Technical approach to turbine based combined cycle: FaCET[R]. AIAA Paper 2009-5537, 2009.

[15] Tang M, Hamilton B A, Morris S. Falcon HTV-3X-A reusable hypersonic test bed[R]. AIAA Paper 2008-2544, 2008.

[16] DARPA. Advanced full range engine program[R]. DARPA-BAA-16-45, 2016.

[17] Heppenheimer T A. Facing the heat barrier:A history of hypersonics[R]. NASA SP-2007-4232, 2007.

[18] Davis P. Progress on SKYLON and SABRE[C]. IAC-15-D218, 2015.

[19] Voland R, Rock K. NASP Concept Demonstration Engine and Subscale Parametric Engine Tests[R].AIAA Paper 1995-6055,1995.

[20] Longstaff R, Bond A. The skylon project [R]. AIAA Paper 2001-2244, 2001.

[21] Schaber R. Hypersonic propulsion considerations for a flying testbed[R]. AIAA Paper 1991-2492, 1991.

[22] Segal C.The scramjet engine[M]. UK: Cambridge University Press, 2009.

[23] Mercier R. Hypersonic propulsion-transforming the future of flight[R]. AIAA Paper 2003-2732, 2003.

Development of Combined-cycle Aerospace Vehicle Technology

Peng Xiao-bo
(China Institute of Combined-cycle Aerospace Vehicle Technology, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Combined-cycle propulsion technology is the combination of traditional propulsion technologies, that can efficiently expand the flight envelope of both velocity and airspace, and it represents the important trend of advanced aerospace technology development. In this paper, the development history and the current status of combined-cycle propulsion technology are summarized, the applications in the fields of the reusable launch vehicle and the hypersonic vehicle are analyzed, and the investigation and generalization of the technology development have been launched. The suggestions for technology development are proposed.

Combined-cycle propulsion; Combined-cycle aerospace vehicle; Reusable launch vehicle; Hypersonic vehicle

V41

A

1004-7182(2016)05-0001-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160501

2016-09-06；

2016-09-09

彭小波（1972-），男，研究员，主要研究方向为运载火箭及重复使用运载器设计