高超声速飞行器及推进系统研究进展

齐伟呈，程思野，李 堃

（中国航空研究院，北京 100012）

飞行器的速度和高度一直是历代战机研制和发展所看重的关键性指标[1]。从冷战时期美国的SR-71带给世人的冲击（如图1所示），到目前世界仅存的“双三”战机（米格-31，如图2所示），这些飞行器都在证明着一个发展趋势：飞行器飞得越快、越高才能真正把握战争主动权，立于不败之地。高超飞行领域正突破着一项又一项关键技术，取得了令人瞩目的研究成果。以美国、俄罗斯为首的航空军事强国都在马不停蹄地推动着自己高超声速飞行领域的研制进度，加快试制、试验各自的高超声速装备，建立对超远目标的快速有效打击能力。

图2 米格-31高速截击机

高超声速通常是飞行高度低于90 km、马赫数不小于5、采用吸气式发动机作为动力、具备长航程飞行能力的一项技术。该技术的不断发展将有效加快高超声速飞机、导弹等新型装备的诞生，具有重大的军事和经济效益，因此该技术成为美国、俄罗斯等主要大国争相开展的前沿研究。

超燃冲压发动机被认为是当前高超声速飞行器的最优动力选择，其无需携带氧化剂、可从大气中直接捕获空气，有效增加飞行器航程；同时，也不带有转子类部件，大幅度降低结构复杂度和减轻重量，提高推比性能。因此，超燃冲压发动机已成为各国关注的核心研究技术。然而，超燃冲压发动机只有在较高的马赫数条件下才能实现起动，无法自地面起动并完成全包线范围内的自主飞行。因此，国内外众多研究人员提出将冲压、涡轮和火箭发动机进行多种形式的组合，产生了TBCC，RBCC和Trijet等多种组合循环发动机的形式，从而实现自地面起动并完成全包线范围内的自主飞行。

1 国外研究进展

1.1 RTA计划

2001年，美国国家航空航天局开展了新型涡轮加速器计划（RTA），其发动机如图3所示。研究方向为串联式TBCC技术，主要关键技术有：飞发一体化设计、先进变循环涡轮发动机设计、超燃燃烧室设计、非对称膨胀喷管设计、综合热管理和模态转换等技术。RTA主要分为2期：第一期（RTA-1）发动机的基本构型为双外涵变循环发动机，采用地面试验的方式验证宽速域范围内的推进系统特性；在第一阶段的研究基础上，第二期（RTA-2）以验证飞发一体化设计技术和TBCC发动机性能、可靠性及耐久性为目的开展研究。在2010—2011年期间，RTA-2项目在X-43B飞行器上开展了飞行试验，验证了其飞发一体化设计、超燃燃烧室设计和非对称膨胀喷管设计等相关技术。

图3 美国RTA-1发动机

1.2 FaCET计划

2005年，FALCON计划启动了猎鹰组合循环发动机试验（FaCET），主要进行了发动机的一体化设计、燃烧室设计和后体/尾喷管设计等相关技术研究。本计划共分2期：第一期主要开展了一体化前体/进气道、双模态冲压燃烧室及一体化后体/尾喷管这3个主要部件的研究，并完成了部件级缩比模型地面试验；第二期主要开展发动机的自由射流试验验证项目。本项目目标主要是开发、验证使用碳氢燃料的可重复使用组合循环发动机技术，该推进系统是由HiSTED计划所研究的双模态冲压发动机与涡喷发动机组合而成TBCC发动机。该发动机在涡喷单独工作模式下，可使飞行器从地面静止状态加速至Ma=2.5；在涡喷和冲压共同工作模式下，飞行器可以从Ma=2.5加速至Ma=3.5；在冲压发动机单独工作模式下，飞行器可以从Ma=3.5继续加速至Ma=6.0。FALCON计划所设计的高超声速飞机（HTV-3X）的概念图如图4所示，其可以完成从普通跑道起飞加速至Ma=6.0的可重复飞行任务。

图4 HTV-3X高超声速飞行器

1.3 AFRE计划

2017年美国正式开展先进全速域发动机计划（AFRE），项目计划采用当前成熟涡轮发动机和适当改进的冲压发动机组合形成一款全新的TBCC发动机，并进行多种工作状态的地面试验，验证TBCC发动机用于高超声速飞行器的可行性，以确认其是否具有工程化应用前景。AFRE计划共分为2期：第一期包括TBCC发动机部件级仿真设计、加工试制和试验验证，并开展整机级研究和设计工作；第二期包括整机级装备集成和相关试验验证。2017年9月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）分别与Aerojet Rockerdyne和ATK公司达成了AFRE项目合同，主要开展TBCC组合发动机的地面试验验证。2018年11月，DARPA再次与Aerojet Rockerdyne公司签署项目合同，合同内容主要为加工试制最高飞行马赫数达到Ma=6.0以上的高超声速飞行器。

1.4 波音公司高超飞机项目

2018年1 月，波音公司第一次公开其高超声速飞行器，其概念方案如图5所示，使得波音公司成为美国洛马公司之后第二家对外公布其高超飞行器方案的美国公司。波音公司在采用吸气式组合动力发动机的高超声速飞行器领域有着深厚的技术积累，X-15、X-43A、X-51和XB-70等高超声速飞机均出自波音公司。同时，该公司于2009年已经完成过一款高超声速飞行器（Manta 2025）的设计。此次公开的高超声速飞行器采用两台并联式TBCC发动机，且两台TBCC发动机并排分布布置，飞行器与发动机实现了高度一体化设计，可实现最大马赫数Ma=7.0以上的高速飞行。按照计划，2020年年底波音公司应该已经完成了该飞行器的型号研制工作。

图5 波音高超声速飞机

1.5 ATRDC计划

在TBCC组合发动机研究领域，俄罗斯的主要技术方向和研究成果是预冷空气涡轮发动机（ATRDC），该发动机使用预冷器技术，利用氢燃料预冷发动机进口空气并带动压气机工作。在压气机进口温度范围为98～112 K和工作压比为40时，此款发动机工作在Ma=0～6速域内，能够实现2 500 s以上的比冲性能，推重比更是高达18～222。但是，此款发动机存在预冷器结构笨重和氢燃料浪费的严重缺陷，预冷器重量约为整机重量的40%，因此工程应用价值较差。

1.6 ATREX计划

在TBCC组合动力研究领域，日本的起步较早且具有较为丰富的预冷技术研究储备。在双级入轨空天飞机的研究过程中，石川重工和日本航空宇宙技术研究所共同设计了一款带有空气预冷器的涡轮和冲压组合循环发动机（ATREX），其方案如图6所示。该发动机主要由空气预冷器、进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部件组成。预冷器的冷却剂采用氢燃料，相关研究团队在预冷器结构设计方面，开展了大量研究和试验验证工作，证明了预冷技术可以降低发动机进气温度，有效提高整机性能水平。但在预冷器中出现霜冻问题时，预冷过程的热交换能力将下降15%～20%，该问题可采用定量喷入压缩空气或低温液体实现一定程度上的抑制效果。JAXA在ATREX推进系统的技术基础上，完成了高速涡轮发动机的研制工作，在2014年2月顺利完成试验验证。此款发动机存在着推重比性能较差、无法实现宽速域范围内的高比冲、氢燃料的使用安全等问题，但是该项目的研究成果表明空气预冷技术在未来高速涡轮发动机研制过程中有着巨大潜力。

图6 日本预冷高速涡轮发动机

1.7 LAPCAT计划

2005年，欧洲各国联合开展了长期先进推进概念和技术计划（LAPCAT），主要分为两阶段开展工作。第一阶段的主要研究目标为飞行马赫数可达Ma=5.0、采用氢气作为燃料的预冷发动机（如图7所示），相关关键技术包括：发动机预冷技术、变循环发动机技术、非对称尾喷管验证和超燃燃烧室技术等。第一期计划的研究验证了变循环涡轮基组合发动机的可行性。第二期主要计划开展高超声速民机项目的初步方案设计等工作。

图7 Scimitar发动机结构图

2 国内研究进展

2.1 研究所

我国在高超声速研究领域的起步较晚，在20世纪90年代中期，沈阳发动机研究所的诸惠民[2]开展了串联式TBCC发动机基准方案的研究，主要包括一体化性能、结构与布局设计和部件级相关设计工作。在TBCC发动机总体性能和部件级方面的研究，中国燃气涡轮研究院等研究所的科研人员开展了较为详细的并联式TBCC发动机部件级研究[3]。

2.2 高校

哈尔滨工业大学、南京航空航天大学和西北工业大学等高校对并联式TBCC发动机进行建模和仿真研究，得到了发动机全包线范围内的工作特性[4-6]。北京航空航天大学的陈敏等开展了串联式TBCC发动机模态转换过程相关研究。南京航空航天大学的张华军等[7]开展了TBCC发动机的内、外并联两种构型的进气道设计方法研究。西北工业大学的张建东开展了TBCC发动机进气道初步方案设计研究。西北工业大学的王占学等[8]开展了串联式TBCC发动机的总体性能计算、进/排气系统一体化设计等方面的研究。

3 结论

随着空战在现代战争中地位的不断增强，高超声速技术的重要性将更加凸显。根据对当前世界各国在高超声速飞行器及推进系统领域的研究现状和发展趋势推断：各世界航空强国在高超声速领域均已经取得相当大的技术突破，工程化研制进展已远远领先国内相关技术水平。而当前我国高超声速领域所取得的突破大多来自高校的基础性研究，研究所等工程单位的工程化研究较少，高超声速飞行器转化为武器装备仍任重道远。因此，综合我国相关技术领域的发展和需求，未来可在以下方向开展研究。

（1）加速可重复使用高超声速飞行器的工程化研制，重点推进水平起降飞行技术的研究，有效控制未来武器装备的使用成本。

（2）高超声速领域最核心的技术当属推进系统，加大TBCC等组合动力系统的研究投入，加强相关工程技术攻关，突破核心技术难题。

（3）高超声速飞行器与推进系统具备高度一体化的特点，应不断深化飞发一体化设计方针，提升高超声速飞行器的综合性能。