梁春華，劉紅霞，索德軍，孫明霞

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

美國(guó)航空航天平臺(tái)與推進(jìn)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展及啟示

梁春華，劉紅霞，索德軍，孫明霞

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

介紹了美國(guó)20世紀(jì)50年代以來(lái)的航空航天預(yù)研計(jì)劃詳細(xì)內(nèi)容及實(shí)施情況，分析了美國(guó)航空航天發(fā)展戰(zhàn)略并歸納總結(jié)了支撐該戰(zhàn)略的航空飛行平臺(tái)、臨近太空飛行平臺(tái)、進(jìn)入太空飛行平臺(tái)和太空飛行平臺(tái)的發(fā)展和特點(diǎn)，綜述了可用于4大飛行平臺(tái)的推進(jìn)系統(tǒng)，如自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)、高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研制現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展，獲得了中國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該實(shí)施國(guó)家戰(zhàn)略、夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)和適時(shí)調(diào)整目標(biāo)等啟示。

航空航天平臺(tái)；推進(jìn)系統(tǒng)；自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)；高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，美國(guó)成功研制了F/A-22和F-35等航空飛行器，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)隱身、超視距打擊、超聲速巡航、超機(jī)動(dòng)飛行，獲得先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射和先敵摧毀能力，確保了顯著的空中優(yōu)勢(shì)；對(duì)X-37、X-43和X-51航天飛行器進(jìn)行了地面和飛行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了航天領(lǐng)域的新突破。與此同時(shí)，也對(duì)航空、臨近太空、進(jìn)入太空和太空飛行平臺(tái)與推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了多次論證和規(guī)劃，實(shí)施了一系列預(yù)研計(jì)劃，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，為研發(fā)出先進(jìn)的太空飛行器進(jìn)而確保全面的航空航天優(yōu)勢(shì)和威懾打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文綜述與分析了美國(guó)航空航天飛行平臺(tái)及其推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展與特點(diǎn)，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，以期對(duì)中國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究提供借鑒。

1 航空航天飛行平臺(tái)的發(fā)展和對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的需求

20世紀(jì)90年代末，美國(guó)政府為了長(zhǎng)期保持航空航天優(yōu)勢(shì)確定了其武裝部隊(duì)21世紀(jì)的航空愿景，即：在費(fèi)用更低的情況下，作戰(zhàn)飛機(jī)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，對(duì)任何目標(biāo)都能夠預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、鎖定、瞄準(zhǔn)、作戰(zhàn)和評(píng)估。21世紀(jì)初，美國(guó)推出了“國(guó)家航空航天倡議”（NAI），規(guī)劃了航空航天未來(lái)發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路徑。目前，正在航空、臨近太空、進(jìn)入太空和太空技術(shù)4大飛行平臺(tái)上進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和探索研究，并對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出了更高更具挑戰(zhàn)性的要求。美國(guó)航空航天飛行平臺(tái)及其推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展和未來(lái)展望如圖1所示。

圖1 美國(guó)航空航天飛行平臺(tái)和其推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展和未來(lái)展望

1.1航空飛行平臺(tái)

在航空飛行平臺(tái)上主要開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證對(duì)具有持久且快速反應(yīng)的情報(bào)/監(jiān)視/偵察（ISR）、極長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航、快速打擊、持久攻擊、全球到達(dá)、多任務(wù)機(jī)動(dòng)等能力的未來(lái)先進(jìn)航空飛行器。例如，具有現(xiàn)有系統(tǒng)2倍航程和一半成本的未來(lái)快速打擊飛機(jī)；具有目前有人飛行器2.5倍作戰(zhàn)半徑或3倍任務(wù)持久（待機(jī)）時(shí)間的未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)；作戰(zhàn)半徑增大到目前飛機(jī)2～4倍的未來(lái)短距起飛/垂直著陸（STOVL）飛機(jī)。為此，美國(guó)開(kāi)展X-36無(wú)尾戰(zhàn)斗機(jī)敏捷性研究機(jī)、X-39未來(lái)飛機(jī)技術(shù)增強(qiáng)驗(yàn)證機(jī)、X-44矢量推力試驗(yàn)機(jī)、X-45無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)、X-47自主式無(wú)人機(jī)等有尾飛機(jī)和無(wú)尾飛機(jī)、有人飛機(jī)和無(wú)人飛機(jī)的探索研究，為以第6代戰(zhàn)斗機(jī)為代表的未來(lái)航空飛行器提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

為了滿足上述要求，需要開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和移植高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、高效小型推進(jìn)系統(tǒng)、小型重油發(fā)動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)緊湊的高效直接升力發(fā)動(dòng)機(jī)、自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)等革新的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，以使各種現(xiàn)役與在研推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可承受性取得革命性改進(jìn)，同時(shí)使未來(lái)超聲速巡航戰(zhàn)斗機(jī)、全球攻擊機(jī)、垂直/短距起降（V/STOL）飛機(jī)、無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)、先進(jìn)轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的航程增加、保障規(guī)?？s小、戰(zhàn)備完好率提高、噪聲/排放/可探測(cè)性降低以及高速續(xù)航能力提高。

1.2臨近太空飛行平臺(tái)

在臨近太空飛行平臺(tái)上集中開(kāi)發(fā)與概念驗(yàn)證為高速巡航飛行器、高超聲速攻擊武器及進(jìn)入太空的吸氣式系統(tǒng)提供革命性技術(shù)。其技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)自40多年的技術(shù)，如在綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）預(yù)研計(jì)劃下進(jìn)行的緊湊、輕質(zhì)、低成本Ma＝3.0～4.0的雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)、Ma＝3.3～6.5的雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的100多次地面試驗(yàn)、第1臺(tái)飛行試驗(yàn)型的、冷卻的碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的30多次試驗(yàn)、氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的激波風(fēng)洞試驗(yàn)、70多次Ma＝10.0的試驗(yàn)和20多次Ma＝12.0的試驗(yàn)。其基準(zhǔn)是B-2轟炸機(jī)、B777飛機(jī)、SR-71和D-21偵察機(jī)、低空戰(zhàn)略導(dǎo)彈（SLAM）、空對(duì)地遠(yuǎn)程導(dǎo)彈（JASSM）、先進(jìn)戰(zhàn)略空中發(fā)射導(dǎo)彈（ASALM）和航天運(yùn)輸系統(tǒng)（STS）等。開(kāi)發(fā)過(guò)程分為3個(gè)階段：（1）到2010年開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證航程達(dá)1853.2 km、酬載比15%、Ma=4.0～6.0的一次性使用導(dǎo)彈和Ma=5.0～7.0的可重復(fù)使用導(dǎo)彈所需的技術(shù)；（2）到2015年開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證航程達(dá)3706.4 km、酬載比30%、Ma＝6.0～8.0的一次性使用導(dǎo)彈，2 h內(nèi)飛行8000 km、可生存性提高3倍的可重復(fù)使用導(dǎo)彈所需的技術(shù)和酬載比30%、飛行500次1次故障、至近地軌道11000美元/kg的可重復(fù)使用水平起飛/水平著陸雙級(jí)入軌（HT/HL TSTO）所需的技術(shù)；（3）到2020年開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證Ma＝12.0以上一次性攔截導(dǎo)彈，2 h內(nèi)任意到達(dá)、可生存性提高6倍的可重復(fù)使用系統(tǒng)和酬載比50%、飛行5000次1次故障、至近地軌道2200美元/kg的可重復(fù)使用HT/HL TSTO所需的技術(shù)。高速/高超聲速技術(shù)驗(yàn)證路線如圖2所示。

圖2 高速/高超聲速技術(shù)驗(yàn)證路線

為了滿足Ma＝0～4.0一次性使用巡航導(dǎo)彈的要求，需要開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；為了滿足Ma＝4.0～15.0一次性使用中等航程打擊和攔截武器系統(tǒng)的要求，需要開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)；為了滿足Ma＝4.0～15.0一次性使用長(zhǎng)航程打擊和攔截武器系統(tǒng)的要求，需要開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；為了滿足Ma＝0～7.0可重復(fù)使用遠(yuǎn)程打擊武器系統(tǒng)的要求，需要開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.3進(jìn)入太空飛行平臺(tái)

在進(jìn)入太空飛行平臺(tái)上集中開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證對(duì)保證未來(lái)往返太空武器系統(tǒng)具有響應(yīng)性、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)可承受性的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、飛機(jī)、運(yùn)行與一體化和飛行子系統(tǒng)技術(shù)。其目標(biāo)指向Ma＝0～12.0可重復(fù)使用吸氣式第1級(jí)導(dǎo)彈、可重復(fù)使用發(fā)射裝置、第2級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)動(dòng)航空飛行器?；鶞?zhǔn)是航天飛機(jī)、改進(jìn)型一次性發(fā)射裝置（EELV）、X-33等。開(kāi)發(fā)過(guò)程分為3個(gè)階段：（1）到2009年開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證的飛行器能夠持續(xù)飛行7d、對(duì)氣候敏感（CAT1）、損失比例1/100架次、乘員安全系統(tǒng)大于99.8%、可重復(fù)使用系統(tǒng)酬載比8%、可重復(fù)使用系統(tǒng)直接成本低于200萬(wàn)美元/架次、一次性使用系統(tǒng)發(fā)射成本低于600萬(wàn)美元；（2）到2015年開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證飛行器能夠持續(xù)飛行1d、耐氣候（CAT2）、損失比例1/1000架次、乘員安全系統(tǒng)大于99.98%、可重復(fù)使用系統(tǒng)酬載比16%、可重復(fù)使用系統(tǒng)直接成本低于400萬(wàn)美元/架次、一次性使用系統(tǒng)發(fā)射成本低于4900萬(wàn)美元；（3）到2025年開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證能夠持續(xù)飛行12 h、耐惡劣氣候（CAT3）、損失比例1/10000架次、乘員安全系統(tǒng)大于99.999%、可重復(fù)使用系統(tǒng)酬載比24%、可重復(fù)使用系統(tǒng)直接成本低于200萬(wàn)美元/架次、一次性使用系統(tǒng)發(fā)射成本低于4100萬(wàn)美元（圖2）。

為了滿足上述要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、可靠的第1級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、低成本的軌道上機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件技術(shù)和先進(jìn)推進(jìn)劑的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。

1.4太空飛行平臺(tái)

在太空飛行平臺(tái)上重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證超光譜/多譜段傳感器、綜合孔徑與激光雷達(dá)、大型天線、信號(hào)/圖像處理、傳感合成、信息合成、程序控制/反阻塞收發(fā)器和雷達(dá)通訊等一系列關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)航空機(jī)動(dòng)飛行器、響應(yīng)載荷、太空態(tài)勢(shì)感知、太空系統(tǒng)防衛(wèi)、快速部署/運(yùn)用軍事有效載荷、持續(xù)全球ISR和強(qiáng)大的全球通信，無(wú)論何時(shí)何地都能提供需要的足夠信息，將為美國(guó)國(guó)防部提供前所未有的戰(zhàn)斗變換能力。

2 航空航天推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展

經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，航空航天飛行平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，如圖3所示。下面介紹幾種典型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)構(gòu)想。

圖3 高超聲速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)研制計(jì)劃

2.1自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)是1種變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠獨(dú)立地改變風(fēng)扇/核心機(jī)的空氣流量和壓比，可使飛機(jī)在起飛和機(jī)動(dòng)期間所需的大推力和在執(zhí)行遠(yuǎn)程、持久攻擊和偵察任務(wù)的亞聲速飛行期間所需的低油耗集于一體，應(yīng)用對(duì)象為亞聲速戰(zhàn)斗機(jī)、超聲速巡航戰(zhàn)斗機(jī)、超聲速運(yùn)輸機(jī)、無(wú)人機(jī)、以Ma＝2.5巡航的飛行器等。預(yù)期收益與目標(biāo)是：在多種飛行條件下性能最優(yōu)，質(zhì)量減輕25%，在最高溫度下工作時(shí)間延長(zhǎng)10倍，總耗油率降低25%，使用半徑增大50%，待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)5倍。關(guān)鍵技術(shù)包括：輕質(zhì)簡(jiǎn)單的變循環(huán)特征件，高效、寬流量范圍的壓氣機(jī)，工作范圍大的高效高溫渦輪，高效輕質(zhì)隱身的排氣系統(tǒng)。

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（ADVENT）分計(jì)劃下開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。該預(yù)研計(jì)劃由RR和GE公司承擔(dān)，共耗資5.27億美元，在2010年10月完成了全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的驗(yàn)證。自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)是自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展型，在2012年美國(guó)空軍啟動(dòng)的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研制（AETD）預(yù)研計(jì)劃下開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。該預(yù)研計(jì)劃的目標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率明顯提升，核心機(jī)尺寸更大，擬用于美國(guó)海軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-XX、空軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)F-X、未來(lái)轟炸機(jī)和其他戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上。2012年11月，美國(guó)GE和PW公司獲得6.8億美元的演示驗(yàn)證合同，計(jì)劃于2013年完成自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件的風(fēng)險(xiǎn)降低、發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)技術(shù)成熟、縮比尺寸和全尺寸地面臺(tái)架試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車、發(fā)動(dòng)機(jī)非安裝和安裝性能分析；于2015年前完成環(huán)形燃燒室和高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)，在2016年進(jìn)行自適應(yīng)風(fēng)扇和核心機(jī)驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)，并完成地面演示驗(yàn)證，在2017年進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)。此后，美國(guó)空軍計(jì)劃在3年內(nèi)進(jìn)入工程與制造發(fā)展階段。PW公司第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為PW9000，核心機(jī)基于PW1000G齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的，低壓轉(zhuǎn)子基于F135發(fā)動(dòng)機(jī)的，最大創(chuàng)新是自適應(yīng)風(fēng)扇和自適應(yīng)渦輪，設(shè)計(jì)難點(diǎn)是排氣系統(tǒng)隱身。

2.2高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是指能夠滿足Ma≥4.0要求的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括一次性使用和可重復(fù)使用2種。前者可以用于高超聲速導(dǎo)彈，后者用于從發(fā)射到超聲速飛行范圍，且為飛行器加速。其技術(shù)在IHPTET預(yù)研計(jì)劃、通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）預(yù)研計(jì)劃下的關(guān)鍵時(shí)刻遠(yuǎn)程打擊的革命性方法（RATTLRS）和高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)（HiSTED）分計(jì)劃下開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。

RATTLRS預(yù)研計(jì)劃是為先進(jìn)高速巡航導(dǎo)彈開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證高超聲速氣動(dòng)、耐高溫材料、高度一體化的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。先進(jìn)高速巡航導(dǎo)彈能僅依靠渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma＝3.0時(shí)加速到巡航狀態(tài)，且彈體較輕、結(jié)構(gòu)緊湊，更易于從戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、軍艦等多種平臺(tái)上發(fā)射，并能在發(fā)射5～10min后擊中目標(biāo)，為美軍增強(qiáng)更快捷的打擊能力，能較好地滿足對(duì)時(shí)間敏感目標(biāo)打擊的要求。驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)為RR公司的YJ102R渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)需配備固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就能實(shí)現(xiàn)超聲速飛行，而且沒(méi)有加力燃燒室，具有內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和飛行取證也可應(yīng)用于TBCC推進(jìn)系統(tǒng)。

HiSTED分計(jì)劃是為多種太空武器發(fā)射平臺(tái)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證多用途、低費(fèi)用、Ma≥4.0的一次性使用高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，可使高超聲速導(dǎo)彈到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間縮短80%，并且可靈活地執(zhí)行超聲速巡航/亞聲速待機(jī)任務(wù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)由美國(guó)空軍和國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃管理局（DARPA）投資，由RR北美技術(shù)公司和Williams公司合作開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，由前者開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)被命名為XTE18/SL1，由后者開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)被命名為XTE88/SL1。XTE18/SL1發(fā)動(dòng)機(jī)是中等壓比、高溫單轉(zhuǎn)子無(wú)加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，采用Lammiloy技術(shù)提高使用溫度。該預(yù)研計(jì)劃順利實(shí)施有益于Ma≥4.0戰(zhàn)略武器的推進(jìn)系統(tǒng)和可重復(fù)使用的Ma≥4.0的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)發(fā)展。

2.3超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是指燃料在超聲速氣流中燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低、比沖大和速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速航空器、跨大氣層飛行器、可重復(fù)使用的太空發(fā)射器和單級(jí)入軌空天飛機(jī)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)概念于20世紀(jì)50年代中期提出。1960～1975年，美國(guó)在空天飛機(jī)預(yù)研計(jì)劃和高超聲速試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)（HRE）預(yù)研計(jì)劃下開(kāi)展其原理探索和驗(yàn)證研究。1985～1995年，在美國(guó)空天飛機(jī)（NASP）預(yù)研計(jì)劃下，以單級(jí)入軌、水平起降為目標(biāo)開(kāi)展了Ma＝4.0～15.0的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究。1995年以來(lái)，以演示驗(yàn)證氫燃料和碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)為目標(biāo)，NASA、美國(guó)空軍和海軍實(shí)施了空軍高超聲速技術(shù)（HyTech）、超燃沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證（SED）、高超聲速飛行（HyFly）、高超聲速澳大利亞/美國(guó)合作試驗(yàn)（HyCAUSE）和獵鷹組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（FaCET）等預(yù)研計(jì)劃，通過(guò)地面和飛行試驗(yàn)，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定、高效低阻燃燒、防熱結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了一些突破。

50多年來(lái)，美國(guó)開(kāi)發(fā)了多種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方案，其中以雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為研究重點(diǎn)，發(fā)展得相對(duì)較快。以氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的X-43A進(jìn)行了3次飛行試驗(yàn)：第1次以失敗告終；第2次成功達(dá)到Ma＝7，成為以空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的世界上飛行速度最快的飛行器；第3次再次創(chuàng)造了Ma＝9.8的飛行速度世界紀(jì)錄，標(biāo)志著吸氣式高超聲速飛行器技術(shù)取得重要進(jìn)展。以液體碳?xì)淙剂想p模超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的X-51A計(jì)劃進(jìn)行4次飛行試驗(yàn)，目前已完成3次：第1次在Ma＝5左右工作了140 s取得部分成功；第2、3次失??；計(jì)劃于2013年春季或夏季進(jìn)行最后1次試飛。HyFly驗(yàn)證導(dǎo)彈也進(jìn)行了3次飛行試驗(yàn)，均以失敗告終。也就是說(shuō)，美國(guó)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)尚未成熟，還需長(zhǎng)期深入驗(yàn)證。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)理事會(huì)描述了高超聲速超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)從小型導(dǎo)彈到大型RLV（可重復(fù)使用運(yùn)載器）的階梯式開(kāi)發(fā)途徑：1980～2010年，研發(fā)配裝沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速導(dǎo)彈；2011～2015年，研發(fā)配裝小型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速導(dǎo)彈和小型發(fā)射系統(tǒng)；2016～2020年，研發(fā)配裝中型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的大型高超聲速導(dǎo)彈和小型發(fā)射系統(tǒng)；2021～2030年，研發(fā)配裝大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可操作的太空飛行器。

在水平軸向和水平徑向地震作用下，摩天輪的最大位移分別為30 mm和6 mm，遠(yuǎn)小于《抗震規(guī)范》規(guī)定的彈性位移限值H/300=140 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。圖5(a)、(c)所示為地震作用下摩天輪的位移云圖。

2.4 組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是將2種或2種以上的推進(jìn)系統(tǒng)組合一起來(lái)共同完成推進(jìn)任務(wù)，主要有火箭基組合循環(huán)（RBCC）、渦輪基組合循環(huán)（TBCC）和渦輪/火箭基組合循環(huán)（T/RBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)3種類型。

組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念于20世紀(jì)50年代提出，自NASP結(jié)束后進(jìn)入快速發(fā)展階段。90年代中期，NASA先后實(shí)施了吸氣式火箭一體化系統(tǒng)試驗(yàn)（ISTAR）預(yù)研計(jì)劃和一體化空天技術(shù)（ISTP）預(yù)研計(jì)劃，以設(shè)想的第3代可重復(fù)使用運(yùn)載器Spaceliner100為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)Aerojet公司的支板引射（Strutjet）火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方案和Rocketdyne公司的A5發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2001年，NASA開(kāi)始實(shí)施下一代發(fā)射技術(shù)（NGLT）預(yù)研計(jì)劃，研發(fā)同時(shí)適用于火箭和吸氣式高超聲速飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)。在其7大推進(jìn)技術(shù)預(yù)研計(jì)劃中，RBCC預(yù)研計(jì)劃主要針對(duì)地面試驗(yàn)型Ma＝0～7的RBCC，驗(yàn)證預(yù)期的性能、限制條件下的飛行，評(píng)估操作特性，提供備選創(chuàng)新部件的評(píng)估試驗(yàn)平臺(tái)。TBCC預(yù)研計(jì)劃主要針對(duì)地面試驗(yàn)型Ma≥4的TBCC，開(kāi)發(fā)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工藝，使其技術(shù)可行、成本低廉且安全可靠，提供備選的創(chuàng)新工藝的評(píng)估試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證包括推進(jìn)和飛行器系統(tǒng)分析模式在內(nèi)的預(yù)期性能；評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)操作特性。

2002年，在組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件（CCEC）預(yù)研計(jì)劃下，對(duì)采用RBCC+火箭的垂直起飛/水平著陸（VT/HL）的2級(jí)入軌軍用空天飛機(jī)（Sentinel）和采用TBCC+火箭的水平起飛/水平著陸（HT/HL）的2級(jí)入軌空天飛機(jī)（Quicksat）方案進(jìn)行了比較評(píng)估。結(jié)果表明：垂直起飛需要大推力的動(dòng)力裝置，在Ma≤2.0時(shí)，RBCC不能提供足夠的推力，比沖值也達(dá)不到要求。水平起飛要求的推力小，但加速時(shí)間長(zhǎng)，消耗燃料多，返場(chǎng)距離大，需要攜帶的返場(chǎng)燃料多，經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)水平起飛飛行器的研究表明，在有效載荷均為9072 kg、運(yùn)送到185.2 km圓軌道的情況下，以RBCC為第1級(jí)動(dòng)力裝置的水平起飛TSTO起飛質(zhì)量最大，是采用TBCC或渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的HT/HL飛行器起飛質(zhì)量的5～6倍。這一結(jié)論為開(kāi)展從陸地強(qiáng)制應(yīng)用與發(fā)射（FALCON，獵鷹）預(yù)研計(jì)劃提供了理論依據(jù)。

2003年，美國(guó)空軍和DARPA開(kāi)始實(shí)施的FALCON預(yù)研計(jì)劃是1項(xiàng)旨在提升高超聲速飛行技術(shù)和發(fā)展新的低成本空間發(fā)射系統(tǒng)的雙目標(biāo)聯(lián)合計(jì)劃。其中，F(xiàn)aCET計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證可重復(fù)使用、燃用碳?xì)淙剂系腡BCC，可以由常規(guī)跑道起飛，以Ma＝6的速度巡航，然后再著陸在常規(guī)跑道上。遠(yuǎn)期目標(biāo)中的高超聲速武器系統(tǒng)（HSW）采用TBCC作為第1級(jí)動(dòng)力裝置，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)操作性能和TBCC流道、進(jìn)氣口、燃燒室和噴嘴部件性能。各發(fā)動(dòng)機(jī)部件將在超過(guò)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)馬赫數(shù)范圍（重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)轉(zhuǎn)換的馬赫數(shù)范圍）進(jìn)行測(cè)試，綜合各部件技術(shù)進(jìn)行自由噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)。

2007年，美國(guó)空軍在完全可重復(fù)使用進(jìn)入太空技術(shù)（FAST）預(yù)研計(jì)劃下分別對(duì)以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、TBCC、RBCC為動(dòng)力裝置的TSTO飛行器針對(duì)體積和空載質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：對(duì)常規(guī)的運(yùn)載類任務(wù)和軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)，以火箭＋RBCC為動(dòng)力裝置的VT/HL TSTO飛行器最優(yōu)，以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)＋RBCC或TBCC＋RBCC為動(dòng)力裝置的HT/HL飛行器次之。2008年，美國(guó)空軍委托Astrox公司對(duì)8種TSTO飛行器的構(gòu)型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，第1級(jí)為可重復(fù)使用LOX/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第2級(jí)為一次性使用的RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量最優(yōu)。

配裝組合循環(huán)動(dòng)力裝置的超聲速飛行器的發(fā)展主要依賴于Ma＝4這一級(jí)別的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但缺少M(fèi)a＝4的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研計(jì)劃的支持。為此，航空噴氣公司提出了1種TBCC/RBCC推進(jìn)系統(tǒng)——“三噴氣”發(fā)動(dòng)機(jī)，即在其中1個(gè)渦輪通道內(nèi)安裝火箭引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣可以在傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以承受的速度下關(guān)掉渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)活門，保持火箭引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)活門打開(kāi)直至達(dá)到Ma≥4。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)體積可以很小，不加力即可實(shí)現(xiàn)起飛、空中加油和有動(dòng)力著陸；火箭助推器體積也可以很小，在全加力模式下與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供足夠的跨聲速加速度。

3 啟示

回顧美國(guó)航空航天飛行平臺(tái)和推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，可以得到以下啟示。

3.1成立由政府牽頭的全國(guó)性研發(fā)團(tuán)隊(duì)，確保國(guó)家戰(zhàn)略得以落實(shí)

美國(guó)航空航天飛行器的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證是在國(guó)家層面制定武器系統(tǒng)的研制戰(zhàn)略，集中全國(guó)的力量具體實(shí)施，研發(fā)團(tuán)隊(duì)由政府的軍用部門和民用部門、武器系統(tǒng)研制商、大學(xué)和研究部門組成?？梢栽趨⑴c研究的機(jī)構(gòu)中融資，集國(guó)家力量分階段為武器系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證提供強(qiáng)有力的組織保障。如IHPTET、VAATE、綜合高效火箭推進(jìn)技術(shù)（IHPRET）、X-51A等預(yù)研計(jì)劃的實(shí)施中都是如此。

1986年開(kāi)始實(shí)施的IHPTET預(yù)研計(jì)劃的參研單位包括美國(guó)的陸軍、空軍、海軍和DARPA、NASA等5個(gè)政府部門，GE、霍尼韋爾（Honeywell）公司、PW、AADC、Williams和特里達(dá)因（Teledyne）大陸發(fā)動(dòng)機(jī)公司等6家工業(yè)部門，還包括一些大學(xué)。吸取其經(jīng)驗(yàn)，1996年開(kāi)始實(shí)施的IHPRPT預(yù)研計(jì)劃由美國(guó)的空軍、陸軍、海軍和國(guó)防部長(zhǎng)辦公室、NASA，以及宇航和推進(jìn)工業(yè)的一些合同商共同實(shí)施。X-51A預(yù)研計(jì)劃集結(jié)了美國(guó)多家政府機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司，體現(xiàn)了美國(guó)航空領(lǐng)域的整體技術(shù)水平。核心團(tuán)隊(duì)包括萊特帕特森空軍基地的空軍計(jì)劃辦公室和SED-WR聯(lián)盟（包括波音公司在亨廷頓海岸的轉(zhuǎn)換太空系統(tǒng)，普惠洛克達(dá)因公司（PWR）在西棕櫚海岸的太空推進(jìn)部）。

3.2制定適當(dāng)?shù)慕?jīng)費(fèi)和時(shí)間計(jì)劃，確保關(guān)鍵技術(shù)得以驗(yàn)證

美國(guó)提出的多個(gè)高超聲速飛行器和動(dòng)力裝置研制計(jì)劃在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中始終是立而棄，棄又立，X-43A和X-51A雖已完成了短時(shí)間的飛行，但距全面突破高超聲速飛行器與推進(jìn)技術(shù)目標(biāo)尚待時(shí)日，未來(lái)可能還會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)目和計(jì)劃的反復(fù)。究其原因主要是基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究不足，高估了當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)儲(chǔ)備，低估了可能面臨的問(wèn)題，從而使項(xiàng)目規(guī)劃、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)等諸方面出現(xiàn)不合理的情況，最終導(dǎo)致無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

就超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，雖然在超聲速條件下碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生足夠推力、超燃下的壓力振蕩等技術(shù)難題陸續(xù)取得重大突破，但X-51A飛行試驗(yàn)表明，進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與模態(tài)轉(zhuǎn)換尚待繼續(xù)研究。Strutjet和A5發(fā)動(dòng)機(jī)盡管進(jìn)行了地面試驗(yàn)，但尚未進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)，一些關(guān)鍵技術(shù)并未得到驗(yàn)證。因此，堅(jiān)實(shí)地打好技術(shù)基礎(chǔ)，在技術(shù)應(yīng)用時(shí)做好延承，高超聲速技術(shù)才可能取得成功。

3.3適時(shí)調(diào)整技術(shù)目標(biāo)，確保少走彎路

隨著對(duì)航空航天飛行平臺(tái)和推進(jìn)技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷加深，美國(guó)政府基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展進(jìn)程，對(duì)預(yù)研計(jì)劃目標(biāo)進(jìn)行了多次適時(shí)調(diào)整。

20世紀(jì)90年代中期，總結(jié)由于低估了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難度致使X-15、X-17、X-20、X-23、X-24、X-30國(guó)家空天飛機(jī)最終放棄或中途夭折的教訓(xùn)，美國(guó)對(duì)高超聲速導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和空天飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了調(diào)整，確立了更為現(xiàn)實(shí)的分階段逐步發(fā)展的思路，首先選擇巡航導(dǎo)彈為突破口，而后轉(zhuǎn)向其他飛行器與天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的研制，降低了近期的發(fā)展目標(biāo)。

2001年，美國(guó)提出了國(guó)家航空航天倡議，重申了以高超聲速巡航導(dǎo)彈為“敲門磚”的發(fā)展戰(zhàn)略。2002年，NASA終止了X-飛行器預(yù)研計(jì)劃，將太空發(fā)射（SLI）預(yù)研計(jì)劃重構(gòu)為NGLT和軌道航天飛機(jī)（OSP）預(yù)研計(jì)劃，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證遠(yuǎn)景所需的系統(tǒng)和技術(shù)。2004年1月，美國(guó)總統(tǒng)布什宣布新的太空探索倡議，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證遠(yuǎn)景系統(tǒng)和技術(shù)。2007年，美國(guó)制定了“國(guó)防部高超聲速預(yù)研計(jì)劃路線圖”，按照該路線圖，美國(guó)高超聲速飛行器技術(shù)主要支撐打擊/持續(xù)作戰(zhàn)能力、空中優(yōu)勢(shì)/防護(hù)能力和快速響應(yīng)太空進(jìn)入能力3個(gè)領(lǐng)域的能力需求。2011年5月，美國(guó)透露其制定的包括高超聲速武器和高超聲速飛機(jī)的高超聲速飛行器發(fā)展路線圖，重新規(guī)劃了2011～2016財(cái)年技術(shù)發(fā)展安排。這些都是基于當(dāng)時(shí)計(jì)劃目標(biāo)的完成情況進(jìn)行的適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了航空技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正在規(guī)劃近期、中期和遠(yuǎn)期的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展方向，不斷探索新的研究領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)“?？仗煲惑w化的航空航天全面優(yōu)勢(shì)”。通過(guò)大量的研究，已經(jīng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、耐高溫材料、結(jié)構(gòu)一體化等關(guān)鍵技術(shù)，取得了明顯進(jìn)展，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。但是，由于技術(shù)成熟度不高、技術(shù)跨越巨大、研究周期較短和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足等原因，美國(guó)X-51A和HyFly等超聲速飛行器飛行試驗(yàn)相繼失敗，說(shuō)明了安排好基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)驗(yàn)證、型號(hào)研制和應(yīng)用發(fā)展的重要性，尤其應(yīng)重視在應(yīng)用研究和技術(shù)驗(yàn)證之前加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、夯實(shí)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)的極端重要性。中國(guó)可以借鑒美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),從體系對(duì)抗的角度思考和組織航空航天飛行器和推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作，尋找和突破能夠顛覆現(xiàn)有格局的新概念和新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)從跟蹤式預(yù)研向?qū)故筋A(yù)研的轉(zhuǎn)變。

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[13]梁春華.通用的、可承擔(dān)起的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2001（3）：44.

LIANG Chunhua.The versatile,advanced,affordable turbine engines program[J].Aeroengine,2001（3）：44.（in Chinese）

Future Development and Enlightenments for US Aerospace Platform and Propulsion System

LIANG Chun-hua,LIU Hong-xia,SUO De-jun,SUN M ing-xia
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

US aerospace development strategies were analyzed from 1950s,and the development of US aerospace was introduced and the development and the features of four aerospace platforms such as aviation platform,approach space platform,access space platform and space technology platform were concluded.The status and future development of propulsion system technologies including adaptive engine,high speed turbine engine,scram jet,and turbine based combined cycle engine and rocket based combined cycle engine required for four platforms were overviewed.The important enlightenments of implementing national strategy,grasping technology foundation and adjusting targetwere obtained for aerospace development in China.

aerospace platform;propulsion system;access space;adaptive engine;high speed turbine engine;scram jet;combined cycle engine

2012-06-19

梁春華（1968），男，工程碩士，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航改燃?xì)廨啓C(jī)情報(bào)研究工作。