组合动力飞行器技术军民融合发展模式研究

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 蔡闻一 杨 旸 饶成龙 钟欣欣

组合动力飞行器技术军民融合发展模式研究

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 蔡闻一 杨 旸 饶成龙 钟欣欣

随着现代军事技术的快速发展，为满足空间开发利用及未来战争的军事需求，新型航天飞行器需要具备跨空域、宽速域、高机动飞行等能力，这也对飞行器发动机的性能提出了更高的要求，包括高比冲、大推重比、动力可调节、宽飞行包线等。但是，单一类型的动力装置均不能满足以上要求，因此，多种组合发动机应运而生。本文介绍了组合动力系统的主要类型和工作原理，分析了国外典型组合动力飞行器项目军民融合发展的主要做法，从军民融合角度出发，对我国组合动力系统未来发展提出了措施建议。

组合动力系统的主要类型

高超声速技术被认为是21世纪航空航天技术的制高点，也是重要的军民两用技术，其发展将对未来军事发展战略制定、空间技术发展、武器体系构建等均具有重大影响。高超声速飞行器的飞行包线十分宽广，飞行高度从0到40km甚至更高，飞行速度从亚声速、跨声速、超声速扩展到高超声速。高超声速飞行器的发展对动力装置的性能提出了极为苛刻的要求，其必须在宽广的飞行包线内稳定、可靠地工作。但目前来看，除火箭发动机外，任何单一类型的发动机都不能满足以上要求，而火箭发动机由于比冲较低，难以支持长时间高超声速飞行。因此，发展技术性能更为先进的组合动力装置势在必行。

一、组合动力系统的基本概念

不同类型的发动机在不同的飞行范围内性能各具优势，为实现零速起飞直至高超声速飞行，必须结合各类型发动机有效工作范围的特点，采用以火箭、冲压、涡轮等发动机技术为基础的不同形式的组合循环推进系统。组合动力系统的基本原理是，将冲压发动机、涡轮发动机、火箭发动机等不同类型的发动机（两种或以上）有机融合，将各种发动机在不同飞行阶段的优势集中体现在一台发动机上。组合动力系统通过不同动力的组合，可根据其优势转换使用，在不同的工作模态下，发挥各自的性能优势，从而使飞行器在起飞、穿越大气层、入轨等不同飞行阶段的全速度范围内均能够获得最优的推进效果，实现飞行器跨空域、宽速域、高机动飞行。

二、组合动力系统的主要类型及工作原理

目前，典型的组合动力系统主要包括火箭基组合循环发动机（RBCC）、涡轮基组合循环发动机（TBCC）、空气涡轮火箭发动机（ATR）和复合预冷吸气式火箭发动机（SABRE）等。

（一）RBCC发动机

RBCC发动机是液体火箭发动机和冲压发动机的有机结合。冲压发动机是在大气层内实现高超声速飞行的理想动力系统，其工作原理是：飞行器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，空气经压缩后进入燃烧室与燃料混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出从而产生推力。冲压发动机利用大气中的氧，有较高的比冲，但不能脱离大气层工作；火箭发动机携带推进剂，可全空域工作，但比冲较低。RBCC发动机于20世纪50年代、60年代提出，可充分发挥火箭发动机高推重比和吸气式冲压发动机高比冲的优势，从地面零速起飞，可完全依靠自身实现全空域、全速域飞行，是未来单级入轨可重复使用天地往返飞行器的理想动力形式之一。

（二）TBCC发动机

TBCC发动机是将涡轮发动机与亚燃/超燃冲压发动机有机组合的推进装置，采用变循环工作过程，可使飞行器在大气层内不同的飞行条件（亚声速、超声速、高超声速）下均能获得良好的推进性能，实现高超声速飞行。在飞行器低速飞行时，气流在调节阀的作用下进入涡轮发动机，此时，组合动力系统以涡轮发动机方式工作；在飞行器高速飞行时，气流在调节阀的作用下进入冲压发动机，此时，组合动力系统以亚燃/超燃冲压发动机方式工作。TBCC发动机存在飞行速度和高度上限，无法作为单级入轨动力使用，可以作为未来两级入轨运载器的第一级动力系统，在高速飞机和巡航导弹方面也有较好的应用前景。

（三）ATR发动机

ATR发动机将火箭发动机与涡轮发动机技术有机融合，可以针对任务特性进行性能设计，比冲高于火箭发动机，推重比大于涡轮发动机。其热力循环最重要的特点就在于：其涡轮流路采用分离设计，可采用独立于空气来流的火箭燃气发生器循环方式产生富燃燃气，驱动涡轮带动压气机，进气道来流畸变敏感性降低，系统调节规律得以简化，对空气来流进行预冷却或与冲压发动机集成为多模态后，可进一步拓宽发动机的工作空域和速域。ATR发动机是未来可应用于高动态临近空间飞行器、远程空射武器，以及天地往返运载器的新型吸气式组合动力系统。目前，ATR发动机相关研究主要集中在ATR发动机的高推力、小型化和轻质化等方面。

（四）SABRE发动机

SABRE发动机将液体火箭技术、带预冷器的涡轮压气机技术有机融合，是一种用低温介质氦对来流空气进行深度预冷的组合循环发动机，并采用超高压比压气机达到更高的增压能力，实现吸气、火箭两种模态下燃烧室组件的共用。SABRE发动机融合了火箭发动机工作范围宽、涡轮发动机比冲高的性能优势，能够显著提升发动机的性能，降低离地到入轨过程对发动机性能的要求，是有望应用于未来可重复使用、水平起降、单级入轨飞行器的动力选择之一。

美国组合动力研究进展情况

美国从20世纪50年代末开始进行组合动力技术探索性研究，先后制定并实施了多个相关研究计划。组合动力系统作为实现高超声速天地往返的重要技术途径，随着多个航天计划的实施，在关键技术方面取得了一系列研究进展。

一、20世纪50年代至20世纪末

20世纪50年代，美国开始进行组合动力系统概念性研究。20世纪60年代～90年代，美国国家航空航天局（NASA）提出了发展下一代可重复使用运载器（RLV）计划。RLV计划是一项综合性的地面和飞行试验计划，旨在研制可替代航天飞机和一次性使用运载火箭的经济、可靠、便于操作的可重复使用航天运载器系统。

在RLV计划的支持和推动下，美国Marquardt公司由空军资助，对引射冲压发动机（ERJ）进行了一系列地面试验，对起飞加速、跨声速和超声速飞行等过程开展了研究。在航天飞机推进系统采用全火箭推进方案后，Marquardt公司转入了4Ma～5Ma高性能军机用超动力引射冲压发动机（SERJ）研究工作。ERJ和SERJ为火箭/亚燃冲压组合动力发动机，主要目标是解决冲压发动机无法自主起飞的问题。

20世纪60年代初，美国海军提出了一项超燃冲压发动机导弹（SCRAM）计划，旨在研制一种小型舰空导弹，由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室全面负责其推进系统的研究工作，在双模态超燃冲压发动机方面取得了显著进展。后来，研究人员又着手研究使用常规碳氢燃料的双燃烧室冲压发动机（DCR），在进气道、亚声速燃烧室和超声速燃烧室的结构与匹配等方面也取得了一系列的研究成果。

以上研究成果为20世纪末RBCC研究工作的再次兴起奠定了基础。1986年，美国启动国家空天飞机计划（NASP），由国防预先研究计划局（DARPA）领导，国防部和NASA联合实施。该计划旨在研发一种单级入轨的航天运载器，彻底改变航天运输方式，而相对于火箭动力运载器，该运载器可大幅降低航天发射的成本，在此计划推动下，吸气式高超声速技术研究取得了显著进展。该计划之后，组合动力研究进入快速发展阶段。

二、20世纪末至21世纪初期

20世纪90年代，NASA启动先进空间运输计划（ASTP），旨在研究单级入轨技术，提高第三代可重复使用空间飞行器的性能，降低发射和维修费用，实现航天运输班机化。该计划设想的第三代可重复使用运载器Spaceliner 100拟采用RBCC动力系统。在该计划的带动下，掀起了RBCC组合动力系统的研究热潮，多家公司和研究机构开展了大量研究并围绕RBCC模型样机研制工作展开了激烈的竞争。

美国火箭达因（Rocketdyne）公司、航空喷气（Aerojet）公司、NASA格伦研究中心等分别提出了不同的发动机方案。其中，火箭达因公司设计了一种RBCC发动机——A5发动机方案，并基于A5发动机模型在通用应用科学实验室（GASL/Leg5）开展了大量试验。NASA格伦研究中心研制了一种以RBCC为动力、垂直起飞、水平着陆、单级入轨的飞行器——GTX。航空喷气公司提出了支板引射火箭冲压发动机（Strutjet）方案。NASA和美国空军针对以上方案开展了大量试验验证，试验速度范围为0～8Ma，涵盖引射模态、亚燃模态和双模态。

21世纪初，NASA开始实施下一代发射技术（NGLT）计划，旨在通过开展RBCC动力系统研究，研发出能够同时适用于火箭和吸气式高超声速飞行器的推进系统。其中，X-43B高超声速演示器旨在演示RBCC动力系统推进模式，研究工作包线，验证系统的可行性。在该计划下，航空喷气公司以Strutjet发动机为基础，设计了吸气式火箭集成系统测试（ISTAR）发动机。

X-43B项目终止后，NASA与美国空军联合启动了可重复使用组合循环飞行验证器计划（RCCFD），旨在演示验证组合循环推进技术，ISTAR发动机也成为该计划的一部分。2001年3月19日，马歇尔空间飞行中心ASTP办公室促成火箭动力公司、航空喷气公司和普拉特•惠特尼公司（普•惠公司）组成一个联合研究机构——RBCC联盟，资助其继续开展ISTAR发动机的详细设计工作。ISTAR发动机在Strutjet发动机的基础上，加入了普•惠公司的煤油燃烧技术，逐步将RBCC技术的研究重点从关键技术攻关向工程化样机转变，并开始进行部件级别的详细研究。

NASA进行甄选后，最终选定航空喷气公司的ISTAR发动机作为RBCC推进系统研究的基础，设计条件为：从B-52轰炸机上以0.7Ma的速度发射，经历引射模态、冲压模态到达超燃冲压发动机工作模态（7Ma），最后滑翔降落，冲压模态接力点为3.5Ma，5Ma时转为超燃模态。NASA格伦研究中心对该型发动机进行了大量试验研究。

随后，NASA开始实施组合循环发动机部件（CCEC）发展计划，对采用RBCC发动机的垂直起飞、水平着陆二级入轨军用空天飞行器Sentinel，以及采用TBCC发动机的水平起飞、水平着陆二级入轨空天飞行器Quicksat进行了方案对比评估。相关研究成果为后续实施陆地强制应用与发射预研计划（FALCON计划）提供了理论依据。

三、21世纪初期至今

2003年，美国空军和DARPA开始实施FALCON计划，旨在研发能够实现全球快速到达目标的高超声速飞行技术。FALCON计划的核心目标是研发由涡轮组合循环发动机推进的、能从普通机场跑道起飞的高超声速巡航飞行器（HCV），中间成果的应用目标是研发从美国本土发射直接快速精确打击全球任意目标的武器。其中，FALCON地面技术验证项目（FaCET）旨在开发和验证采用可重复使用、燃用碳氢燃料TBCC发动机的推进系统能够在几个模式间转换。

随后，美国空军在完全可重复使用进入太空技术（FAST）预研计划下，分别对以涡轮发动机、火箭、RBCC、TBCC为动力装置的两级入轨可重复使用运载器（TSTO）飞行器，针对体积和空载质量等参数进行了详细分析。2008年，美国空军委托Astrox公司对8种TSTO飞行器的构型进行了比较。同年，美国国防部发布高超声速技术发展路线图，明确提出了TSTO飞行器发展预研计划。该飞行器以可重复使用涡喷发动机或TBCC发动机为第一级动力装置，以可重复使用RBCC发动机为第二级动力装置，使美国进入太空的能力由一次性垂直“按计划发射”转换为像飞机一样的“按要求发射”。

2016年8月12日，DARPA战术技术办公室（TTO）在美国政府联邦商机（fbo）网站上发布了先进全速域发动机（AFRE）项目的广泛机构通告（BAA）。AFRE项目是DARPA在2016年2月披露的一个项目，以未来高超声速情报、监视与侦察（ISR）飞机为应用背景，旨在利用“现货涡轮发动机＋宽速域双模冲压发动机”方案，完成全尺寸TBCC模态转换的地面集成验证，研究确立高超声速飞机TBCC推进系统工程化的可行性。该推进系统可在0到5Ma+之间的全速域范围实现连续无缝运行，以确保快速响应的高超声速飞机在拒止环境下完成ISR任务。DARPA在其公布的2017财年预算申请提案中为该项目编列了900万美元的经费，用于启动初步设计工作。

美国组合动力技术军民融合发展模式分析

通过梳理美国组合动力技术的研究进展，可以看出，美国的组合动力技术研究体系相对完善，是一个层级分明、结构完善、军民一体的综合体系：从顶层制定发展计划，在广泛合作中开展竞争，统筹资源，集中优势，避免重复研究和浪费，推动各项研究工作有序开展。

一、顶层计划，统筹管理，确保国家战略落实

美国于20世纪50年代提出了组合动力发动机的概念，在NASP计划之后进入快速发展阶段。通过梳理美国组合动力技术研究进展，可以看出，在组合动力技术研究方面，美国从国家层面制定研究计划，集中各方的研究力量进行具体实施；研究团队包括政府的军用部门和民用部门、军兵种、宇航和推进工业的合同承包商、部分高校及研究机构等。从顶层制定适当的研究规划，合理安排研究进度，为开展技术研发提供强有力的组织保障；在研究过程中，集合国家各层面的力量，分阶段开展研究和验证试验，体现美国航天领域的整体技术水平，注重技术储备，为组合动力技术的长远发展奠定了基础。

二、加强合作，强强联合，共同推进技术发展

美国几乎每个组合动力系统的研发都是由多家单位联合开展的，合作开展研究工作的方式也是多种多样的。美国国防部和军兵种对NASA所研究的相关技术进行辨识后，认为该技术有军事应用前景的，可与NASA签订合同，进行共同开发，对该技术在军事领域的应用情况进行有效验证，反之亦然。在每项具体计划下，NASA和DARPA都会发布招标通告，具备研究能力的商业公司以参与投标的形式进行招标谈判。NASA和DARPA确定中标者（一个或多个）后，与其形成分担费用的政府—企业伙伴关系，签订一定期限的研究合同。各承研单位根据自身的优势和特长承担相关研究工作。通过集合优势资源，加强各部门和单位之间的合作，可以有效地节省研究成本，共同推动研究进展。

三、开展竞争，打破垄断，激发各方研究潜能

美国国防部在经费允许的范围内，尽可能地维持国防工业的竞争态势，以长期、全面地保持国防工业在武器装备研制、生产、保障方面的全套能力，以及多个厂商之间的竞争活力。各竞争单位或团队根据美国国防部或NASA的需求提出不同的研究方案，在进行可行性、性价比等系列评估后，国防部或NASA最终选择最优的一家或多家单位进行研发。例如，NASA每年花费近1.3亿美元开展先进推进系统的研究工作，针对RBCC动力系统和TBCC动力系统，在商业公司之间开展研制竞赛，以选择最佳的动力装置。在广泛的合作中积极开展竞争，可以有效打破垄断体制，激发各研究机构的潜能，加快推进研究进展。

关于我国组合动力技术军民融合发展途径的思考

近年来，随着新军事变革的进程不断加快，研究具有更宽适应范围、更高综合性能的新型动力系统成为航天领域发展的必然要求，组合动力技术已经成为动力技术研究的前沿和热点。通过分析美国组合动力技术发展现状，结合我国发展实际，提出以下发展建议：

一、抓住历史机遇期，顶层谋划发展计划，吸纳军民优势技术力量和资本投入，推动我国航天运输系统能力提升

航天运输系统作为进入空间、利用空间的基础和前提，决定着一个国家进出空间的能力，以及未来可持续发展的潜力，是开发利用外层空间、维护国家空间权益、形成和保持空间威慑的战略基础。航天运输系统的能力、技术水平，以及以其为基础开展的重大航天活动，是一个国家航天实力和水平的重要体现。要满足未来高频率、低成本的航天运输任务需求，需要发展准备时间短、运行成本低、飞行包线宽、环境适应性强的先进航天运输系统。组合动力系统可以大大拓宽飞行器的飞行高度范围和速度包线，实现重复使用天地往返及水平起降入轨飞行，缩短航天运输准备时间，降低航天运输成本，为实现高频率、低成本航天运输奠定基础。鉴于以上发展需求，以美国为代表的主要航天国家先后提出了新的空间运输计划，高度重视高超声速组合动力系统研发工作，并取得了一定的研究进展。

航天发展，动力先行。在高超声速飞行时代即将到来之际，宇宙深度探索、低成本太空旅游、高超声速商业飞行等都为人类勾勒出了更为美好的蓝图，但同时也对未来航天动力系统提出了更高的性能要求。在创新驱动发展战略、军民融合发展战略等政策深入推进，以及新一轮科技产业革命呼之欲出的历史机遇期，为满足未来可重复使用天地往返运输系统的发展要求，有必要紧密跟踪国外组合循环推进系统的研究动态和最新进展，系统思考，明确思路，顶层谋划航天技术未来发展，结合军、民领域对组合动力技术的发展需求，制定相应的研究计划，面向社会发布项目方案需求通告，广泛吸纳在动力系统方面具有研发优势的军工企业和民营企业，在政策和经费上给予支持，鼓励民营资本参与相关技术研发，实现资金合理利用，产生协同带动效应，共同推动我国组合动力相关关键技术研究取得突破。

二、充分利用现有科研资源，加强军民合作和资源共享，建立有效机制，推进组合动力技术发展

美国十分重视组合动力及相关应用技术研究，研究层面涉及飞行器总体、发动机系统，以及相关基础关键技术等，研究单位包括政府军用和民用部门、商业公司及科研院所等。总体上来说，美国组合动力技术研究实施的是以军技民用、民技军用为核心的军民一体发展战略。美国国防部和NASA从政府层面分别针对军用和民用领域飞行器的发展需求，提出先进推进系统发展计划，并充分利用高校的科研资源进行基础理论研究，同时积极吸纳有强大研究基础和技术实力的商业公司参与研究，吸收和运用民用科技基础研究成果及资源，发挥军工企业在运行和生产方面的优势作用，有效增强技术储备，提高研制效率，降低成本和风险，加快推进研究进展。

近年来，在信息、制造、能源、材料等前沿科技领域，基础及支撑技术的军民两用属性日益凸显。在国际航天领域加快向商业化、全球化趋势发展的大背景下，国防科技与民用科技深度融合的空间也愈加广阔。当前，我国大力推行军民融合发展战略，为组合动力技术的军民融合发展提供了良好的政策环境。因此，应积极探索开展交流合作，创新合作模式，在顶层政策与计划的牵引下，建立军方、科研院所、高校，以及民营企业之间的合作开发机制，建立开放型军民两用技术协同创新体系，充分调动和利用各单位和部门的技术优势，加强技术交流和资源共享，根据项目研制和型号任务具体需求，组织专业队伍开展协同攻关，有效弥补组合动力基础研究领域存在的差距，共同推动我国先进动力技术研究水平的提升。

三、结合实际发展需求，利用军民领域已有技术基础，科学制定研究方案，分阶段稳步推进关键技术验证

近年来，伴随着世界各国对空间开发利用的逐步扩展和深入，现有的航天运输系统在技术性能上已无法适应未来“班机化”的航天运输应用需求，发展技术性能更为先进、可重复使用的航天运输系统势在必行。发展可重复使用运载火箭，在一定程度上可使运载器单位有效载荷的运载成本随发射次数的增加而降低。美国SpaceX公司率先完成了可重复使用运载火箭一子级的回收试验，开创了火箭垂直着陆回收的重复使用方式，是在可重复使用航天运输技术领域的有益探索。组合动力技术的应用，可以使未来航天运输实现水平起降、重复使用、低成本和高频率运营，是实现航天运输系统重复使用的一种更先进的技术路径，将有助于未来重复使用航天运输系统能力的全面提升。

然而，目前各种组合循环发动机的推进方案虽各具特点和优势，但又都存在一定的技术瓶颈或性能短板。例如，TBCC系统可实现飞行器水平起降，发动机比冲性能高，但飞行速域和空域受限，只能在大气层范围内工作，因此，只能作为未来可重复使用航天运输系统的一子级使用；RBCC系统理论上可实现飞行器水平起降，以及全空域、全速域飞行，而且系统集成度高、结构较为简单，但目前低速引射火箭模态推力增益较低，使得RBCC动力飞行器零速水平起飞难度较大，成为目前制约RBCC动力技术在天地往返领域应用的重要技术难题之一。

因此，在开展组合循环推进系统方案研究的过程中，应综合考量任务需求、各种技术的特点，以及技术的发展预期等多种因素，科学合理地开展相应的组合动力技术研究。例如，对于远程民用运输机、高超声速客机等应用需求，飞行器全程在大气层内飞行，需要具备可靠水平起降、低成本运营等能力，可以优先选择TBCC等系统作为飞行器的动力系统方案，在具备技术研究和试验能力的民营企业和军工企业内广泛征集方案，充分调研各单位已有技术基础和具备的研究能力，推进概念分析、基础研究、工程方案设计和演示验证试验等各个阶段的工作有序开展。

结束语

人类未来航天运输活动将向班机化、低成本化、高可靠性等方向发展，这将对航天动力系统提出更高的技术要求。组合动力技术是未来先进航天动力技术的重要发展方向，其能够针对不同的飞行阶段，采取最优的动力推进方式，最大限度地发挥不同动力的性能优势，大幅拓宽飞行器的飞行高度范围和速度包线，降低航天运输成本，具有十分广阔的应用前景，在未来军事、政治和经济活动中必将发挥重要的作用。