组合动力飞行器军民融合发展方向及面临的技术挑战

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 费王华 申 亮 郭鹏飞 张 永

组合动力飞行器军民融合发展方向及面临的技术挑战

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 费王华 申 亮 郭鹏飞 张 永

目前，推动军民融合深度发展已成为我国深化国防和军队改革的重要任务之一，军民融合发展已成为我国重要的国家战略，军民融合发展的重要性已从战略高度显现出来。组合循环动力技术是将两种或两种以上的单一动力类型有机结合，发挥各自的性能优势，获得突出综合性能的动力技术，可显著拓宽飞行器的飞行包线，为未来先进航天器提供低成本、高性能的动力系统方案，可用于未来天地往返飞行器、导弹武器、高超声速飞行器等军事领域，也可满足人类未来遨游太空、商用旅游、超声速民用飞行等需要，具有很强的军民两用属性。本文通过对组合动力飞行器技术国内外发展现状及发展趋势进行调研，分析了组合动力飞行器技术的军民融合发展方向及面临的技术挑战，提出了加强我国组合动力飞行器技术军民融合发展的相关建议。

组合动力飞行器技术国内外发展情况

一、国外发展情况

单一的吸气式动力受到飞行速域、空域的严格限制，如涡喷动力一般仅适用于3Ma速度以下，而冲压发动机无法实现亚声速、跨声速飞行，而吸气式冲压发动机仅适合在稠密的大气层内工作等。因此，为实现跨空域、宽速域飞行，自20世纪60年代以来，美国、俄罗斯等国家开展了组合动力飞行器技术的研究工作，取得了大量的研究成果，并逐渐向天地往返飞行器和高超声速飞行器方向发展应用，其中间技术成果也向高超声速导弹武器方向转化应用。

在组合动力天地往返飞行器技术方面，20世纪80年代，基于航天飞机的研制经验，美国提出了国家空天飞机计划（NASP）及X-30单级入轨飞行器研制计划，对多种火箭基组合循环发动机（RBCC）开展了大量研究，研究重点是超燃冲压动力；英国提出了“HOTOL”单级入轨空天飞机计划，以一种新型吸气式火箭发动机作为动力系统；德国提出了“桑格尔”两级入轨运载器方案，其一子级采用涡轮基组合循环发动机（TBCC），二子级采用液体火箭发动机。NASP计划之后，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，提出了Hyper-X计划，并从2001年至2004年完成了3次X-43A飞行试验。英国在“HOTOL”计划终止后，在其基础上成立了英国喷气发动机有限公司，开展了复合预冷吸气式火箭发动机（SABRE）及单级入轨运载器（SKYLON）研究，目前处于关键技术研究阶段。2016年9月，美国公布了2个基于SABRE的两级入轨应用概念方案。

在组合动力高超声速飞行器方面，20世纪60年代初，美国提出了高空高速战略侦察/轰炸机方案，其侦察机型最终发展为SR-71高速侦察机，SR-71采用的J58发动机为涡轮动力与亚燃冲压动力的串联TBCC动力系统。21世纪初，美国提出了FALCON计划及HTV-3X验证机，HTV-3X采用并联TBCC技术，最大速度可达6Ma以上。在此基础上，2007年，洛克希德•马丁公司提出SR-72飞行器概念，也可用作ISR（情报、监视、侦察），甚至打击任务。2013年11月，洛•马公司透露，其“臭鼬工厂”正在研制SR-72飞行器，有望在2030年服役。

在中间成果转化应用方面，美国提出了“快速全球打击（PGS）”体系，2007年9月至2010年8月，基于双燃烧室冲压发动机的HyFly导弹开展了3次带动力飞行试验；2010年5月至2013年5月，美国先后完成了4次X-51A飞行试验；2014年，在X-51A及HyFly的技术基础上，美国提出了“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。俄罗斯围绕“冷”计划，1991年至1998年先后完成了5次超燃动力关键技术飞行试验，并于2011年启动了“锆石”导弹关键技术攻关，推进组合动力技术研究工作。

二、国内发展情况

当前，我国各军工企业、高校，以及相关研究机构纷纷瞄准组合动力飞行器未来应用方向，开展核心关键技术前期攻关和研究布局，力图在后续发展中占得先机，同时，加强组合动力飞行器技术在军用和民用领域的成果转化研究。

三、发展特点及趋势

通过对组合动力飞行器技术国内外研究情况的分析可以看出，组合动力飞行器技术发展呈现出以下特点及趋势：

（1）亚燃、超燃冲压动力是基础，国外集中精力突破相关核心技术。NASP计划后，美国聚焦核心关键技术，并通过X-43A、X-51A飞行试验基本实现了超燃冲压动力技术的初步突破。

（2）受应用方向、传统优势、技术积累等方面的影响，不同国家在组合动力技术方面形成了不同的技术发展路线。例如，美国聚焦于RBCC、TBCC两类组合动力技术及其应用研究；英国则开展了复合预冷吸气式发动机及其单级入轨运载器的研究。

（3）在瞄准天地往返终极应用目标开展技术研究的同时，根据不同的应用背景逐步开展中间成果转化应用。

（4）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进行验证和考核。

（5）国外组合动力飞行器技术经过多年发展，部分技术已经具备了工程应用条件，特别是超燃动力技术已实现初步突破，具备了开展转化应用研究的条件。

组合动力飞行器军民融合发展方向初步分析

一、组合动力飞行器军民融合发展方向

（一）天地往返飞行器军民融合发展方向

组合动力天地往返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。目前RBCC、TBCC和复合预冷发动机均可作为天地往返飞行器的动力系统，但功能各有不同。RBCC发动机具有零速启动和入轨能力，可作为两级入轨系统的第一级或第二级，是实现单级/两级入轨天地往返飞行的理想动力系统选择之一。TBCC能够利用空气中的氧气自主起飞和着陆，目前主要用作天地往返飞行器的一级动力系统。复合预冷循环发动机是单级入轨天地往返飞行器较为理想的动力系统之一。组合动力天地往返飞行器的军民融合发展方向主要包括：

（1）在军用方面，组合动力飞行器可作为单级入轨天地往返飞行器，也可作为两级入轨飞行器的第一级或第二级运载器使用，可用于满足军用航天运输、军事侦察、军事作战等需求。

（2）在民用方面，组合动力飞行器可作为民用天地往返飞行器开展太空探索，也可作为亚轨道飞行器用于太空旅游和商用航天运输等。此外，其在气动力、气动热、结构与材料、组合动力等方面取得的关键技术成果还可应用于民用技术基础研究。

（二）高超声速飞行器军民融合发展方向

RBCC和TBCC是组合动力高超声速飞行器较为理想的动力形式。由于RBCC发动机飞行包线宽，是察打一体高超声速飞行器、强机动武器等优选的动力之一。TBCC动力系统能够充分利用空气中的氧气，实现水平起降，是高超声速飞行器、远距离高超声速投送平台较为理想的动力类型。其军民融合发展方向主要包括：

（1）在军用方面，可作为高超声速察打一体飞行器，应用于远程情报、监视、侦察（ISR）系统；可作为远距离投送平台，满足军事作战、远距离运输等军事需求。

（2）在民用方面，可发展成为组合动力高超声速飞机，用于民用航空飞行；可作为民用高超声速飞行器，用于地震救灾、火灾救援等方面。此外，其关键技术成果还可应用于民用技术基础研究。

（三）中间成果转化军民融合发展方向

在中间成果转化方面，组合动力飞行器的主要发展方向为军事用途，利用组合动力宽包线的综合性能优势，可发展为各型作战武器。例如，RBCC高超声速导弹可发挥宽包线、强机动性等优势，在飞行过程中短时采用机动飞行弹道模式，降低RBCC导弹被探测和拦截的难度，大幅提升突防能力。TBCC是巡航导弹动力装置的理想选择之一，其飞行速度可快慢兼顾，在30km高度以下可实现机动变轨，既克服了目前以涡扇发动机为动力的亚音速巡航导弹易被拦截的不足，又避免了以超燃冲压发动机为动力的巡航导弹难以机动和控制的问题。

二、组合动力飞行器军民融合发展面临的技术挑战

当前国内外各相关研究单位结合自身的技术基础和条件提出了基于RBCC、TBCC、复合预冷发动机等动力系统的组合动力飞行器方案，并开展了相应的关键技术攻关研究和军民两用转化探索研究。综合来看，无论基于哪种动力形式的组合动力飞行器，其技术均非常复杂，各技术间的耦合性较强，需突破总体与组合动力强耦合匹配设计、宽包线气动与推进一体化设计、多约束多模态弹道制导优化设计、跨域飞行多模态强稳定姿态控制、高性能组合动力、轻质结构与材料、地面试验验证等多项关键技术。同时，各种动力形式在应用过程中也存在各自的技术瓶颈，如RBCC在低速段引射模态推力增益不足、TBCC的“推力鸿沟”及死重等问题、复合预冷循环发动机的预冷器技术等。

加强我国组合动力飞行器技术军民融合发展的建议

通过对国外组合动力飞行器技术发展情况和特点进行分析，结合我国国情，建议从以下5个方面推动我国组合动力飞行器技术军民融合发展。

一、顶层谋划，制定组合动力飞行器技术国家发展战略，构建我国组合动力飞行器技术军民融合发展体系

美国、俄罗斯、欧洲、日本均提前布局组合动力飞行器领域，形成了国家层面的技术发展路线，并持续加大投入，力求通过组合动力飞行器技术的突破，使自身在航天技术前沿领域保持领先地位。因此，从国家战略和安全出发，我国也应提前布局组合动力飞行器技术，及时站位，抢占领域发展制高点。在具体实施过程中，首先应制定顶层规划，结合军、民领域对组合动力飞行器技术的发展需求，制定符合我国国情的组合动力飞行器技术领域发展路线，逐步建立我国组合动力飞行器技术军民融合发展体系，循序渐进地推动组合动力飞行器军民融合发展，确保技术方向正确，技术途径可行。

二、创新管理模式，建立快速吸收军、民优势技术力量和资本投入的体制机制，为组合动力飞行器技术军民融合快速发展提供保障

在国家创新驱动发展战略、军民融合发展战略等政策环境支持下，我国要充分借鉴发达国家在组合动力飞行器技术领域采取的创新发展模式和手段，探索更加积极、包容、合作的发展模式，广泛吸纳国内具有研发优势的军工企业、民营企业、高校和研究机构，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飞行器关键技术研究取得突破。

三、军民深度合作和资源共享，建立国内优势单位的技术联合体，形成国家整体力量，共同推进组合动力飞行器技术发展

组合动力飞行器技术涉及的技术面广，技术复杂程度高，技术突破难度大，建议从国家层面创造条件，集合国内优势单位技术力量，形成较为牢固的、具有一定综合优势的技术研究联合体，逐步形成组合动力飞行器领域的“国家队”，在激烈的竞争态势中掌握主动。

四、引入竞争机制，激发研究潜力，逐步完善我国组合动力飞行器技术研发机制和产业发展模式

借鉴国外成熟的发展模式，在建立联合攻关机制的同时，引入竞争机制，促进军工企业、民营企业、高校及研究机构之间形成良性的竞争，进一步激发组合动力飞行器技术领域的研究活力，打破垄断，优胜劣汰，实现资源的合理分配，促进该领域高效发展。

五、充分集合军民融合发展力量，选择恰当的切入点，聚焦关键技术，及早形成研发及应用成果，获得经济效益

在开展组合动力飞行器技术研究的过程中，应结合我国实际和技术基础，选择适当的领域发展切入点，并聚焦关键技术，通过理论研究、地面试验和飞行试验等多种手段加快突破制约组合动力飞行器发展的核心技术，及早形成自主研发成果，获得经济效益。