王巍巍，李丹，曾軍

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

國(guó)外水平起降臨近空間高速飛機(jī)動(dòng)力的發(fā)展

王巍巍，李丹，曾軍

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

臨近空間高速飛機(jī)的飛行包線寬廣，常規(guī)動(dòng)力不能滿足需求，必須采用組合動(dòng)力。渦輪基組合循環(huán)(TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器水平起降，是臨近空間高超聲速飛機(jī)的最佳動(dòng)力。首先從TBCC技術(shù)研發(fā)路線入手，總結(jié)出TBCC主要技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，如高速渦輪基技術(shù)、沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、飛發(fā)一體化技術(shù)和熱防護(hù)技術(shù)；其次結(jié)合TBCC典型研究計(jì)劃(RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72)，歸納出每個(gè)計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展，并對(duì)各方案的未來(lái)發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行闡述；最后對(duì)TBCC的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

高速飛機(jī)；水平起降；組合動(dòng)力；渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

1 引言

從美國(guó)高速飛機(jī)SR-72發(fā)展計(jì)劃和歐洲高速飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃LAPCAT看，組合動(dòng)力是水平起降臨近空間高速飛機(jī)的基本動(dòng)力形式。這是因?yàn)榕R近空間水平起降高速飛機(jī)的飛行包線十分寬廣，高度0～40 km或更高，飛行馬赫數(shù)從亞聲速一直擴(kuò)展到高超聲速，這就要求推進(jìn)系統(tǒng)必須能在寬的馬赫數(shù)范圍內(nèi)工作。傳統(tǒng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可在馬赫數(shù)0～3范圍工作，亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可在馬赫數(shù)2～6范圍工作，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可在馬赫數(shù)5以上工作。顯然，單一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)都不能滿足上述要求，必須積極發(fā)展組合動(dòng)力(圖1)[1]。

組合動(dòng)力的方案有多種，從性能、費(fèi)用、安全和技術(shù)可行性等方面綜合考慮，渦輪基組合循環(huán)(TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭基組合循環(huán)(RBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)是目前最有希望的兩種高超聲速組合動(dòng)力。美國(guó)在Hy?per-X超聲速飛行計(jì)劃中，通過(guò)開發(fā)X-43B飛行試驗(yàn)平臺(tái)，探索驗(yàn)證了TBCC和RBCC兩種方案；歐洲在LAPCAT計(jì)劃的初始方案論證階段，也探索了這兩種方案。最終都選擇了TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)作為水平起

降高速飛行器的動(dòng)力。主要原因有：①采用TBCC做動(dòng)力，高速飛機(jī)不需要專門的發(fā)射裝置，可使用普通機(jī)場(chǎng)，常規(guī)水平起降；若遇到緊急情況，可隨時(shí)選擇機(jī)場(chǎng)著陸，這是RBCC裝置無(wú)法做到的。②TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的低周疲勞壽命在100次以上，能使高速飛行器實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。此外，TBCC比RBCC經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高，在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍內(nèi)具有較高的比沖(圖2)[2]等。

2 國(guó)外水平起降臨近空間高速飛機(jī)動(dòng)力技術(shù)研發(fā)路線

國(guó)外TBCC的技術(shù)開發(fā)圍繞高速渦輪基技術(shù)、沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、飛發(fā)一體化技術(shù)及熱防護(hù)技術(shù)四個(gè)領(lǐng)域并行開展。發(fā)展路線基本上是按單項(xiàng)技術(shù)(渦輪基技術(shù)、沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)等)攻關(guān)、關(guān)鍵部件(共用進(jìn)氣道、共用噴管和沖壓/超燃沖壓燃燒室等)技術(shù)驗(yàn)證、小尺寸原理驗(yàn)證機(jī)、全尺寸地面驗(yàn)證機(jī)和飛行驗(yàn)證幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)施，見圖3[3]。

在渦輪基技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)重點(diǎn)開展了IHPTET/ VAATE、HiSTED和RATTLRS三個(gè)計(jì)劃。IHPTET/ VAATE計(jì)劃中，對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件(高通流風(fēng)扇，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，高負(fù)載4級(jí)壓氣機(jī)，更耐高溫、更長(zhǎng)壽命對(duì)轉(zhuǎn)渦輪和超緊湊燃燒室)技術(shù)進(jìn)行了研究，目的是通過(guò)改進(jìn)部件的結(jié)構(gòu)和性能，來(lái)提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)能力和擴(kuò)大其工作范圍。VAATE計(jì)劃的子計(jì)劃ADVENT，重點(diǎn)研究自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，目的是提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作能

力。HiSTED主要驗(yàn)證高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是否具有為馬赫數(shù)4以上飛行平臺(tái)提供動(dòng)力的能力，并對(duì)一馬赫數(shù)達(dá)4的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)。RATTLRS主要驗(yàn)證飛行器僅依靠渦輪動(dòng)力達(dá)到巡航馬赫數(shù)3的能力。

在沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開展的計(jì)劃較多，典型的有HyTech、X-51A和FALCON等。HyTech計(jì)劃探索研究馬赫數(shù)4～8范圍工作的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，制造并試驗(yàn)了地面驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能在馬赫數(shù)4.5～6.5范圍內(nèi)可靠工作。X-51A計(jì)劃中對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，其驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)是由普惠洛克達(dá)因公司研制的碳?xì)淙剂想p模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)SJX61。X-51A計(jì)劃的成功，表明美國(guó)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面取得了重大突破。在開展飛行試驗(yàn)之前，SJX61已進(jìn)行了馬赫數(shù)4.5～5.0范圍內(nèi)的一系列地面考核試驗(yàn)(包括性能考核試驗(yàn)、閉環(huán)主動(dòng)結(jié)構(gòu)冷卻試驗(yàn)和點(diǎn)火試驗(yàn)等)，累計(jì)超過(guò)10 000 h。FALCON計(jì)劃通過(guò)可重復(fù)使用高超聲速試驗(yàn)平臺(tái)HTV-3X，對(duì)并聯(lián)TBCC開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。在該試驗(yàn)平臺(tái)中，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)流路模擬給出，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)體。

飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)領(lǐng)域開展的典型計(jì)劃有MoTr，重點(diǎn)研究模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)。MoTr計(jì)劃的關(guān)鍵點(diǎn)集中在將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域延伸到馬赫數(shù)3以上，或?qū)_壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)降低到馬赫數(shù)3以下，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換[4]。該計(jì)劃將驗(yàn)證從渦噴到?jīng)_壓/超燃沖壓循環(huán)的轉(zhuǎn)換，這是臨近空間高速飛機(jī)實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行的關(guān)鍵。

綜上所述，國(guó)外TBCC技術(shù)通過(guò)逐步推進(jìn)、層層突破的手段來(lái)開展技術(shù)攻堅(jiān)。如超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)：依次開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，縮尺模型地面驗(yàn)證試驗(yàn)，飛行試驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)用考核。實(shí)際應(yīng)用考核方面，先把超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用在導(dǎo)彈上，驗(yàn)證后，再把目標(biāo)轉(zhuǎn)向軍用飛機(jī)和空間往返運(yùn)輸系統(tǒng)。

3 典型動(dòng)力方案的關(guān)鍵技術(shù)、進(jìn)展及應(yīng)用前景

TBCC技術(shù)方案探索始于上世紀(jì)50～60年代。法國(guó)的GriffonII飛機(jī)是第一個(gè)采用TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器，驗(yàn)證了TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)可行性。美國(guó)在此期間推出的J58發(fā)動(dòng)機(jī)是目前唯一形成裝備的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，較典型的TBCC研究計(jì)劃有RTA、FaCET、TriJet、LAPCAT和SR-72。

3.1 RTA

3.1.1 關(guān)鍵技術(shù)

RTA計(jì)劃探索串聯(lián)TBCC技術(shù)。該計(jì)劃于2001年啟動(dòng)，研究驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括：①變循環(huán)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，②串聯(lián)TBCC結(jié)構(gòu)的飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，③加力/沖壓燃燒室技術(shù)，④單邊膨脹噴管技術(shù)，⑤熱管理技術(shù)，⑥模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，⑦控制技術(shù)等。

RTA計(jì)劃推出了RTA-1和RTA-2兩臺(tái)驗(yàn)證機(jī)。RTA-1發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)帶加力/沖壓燃燒室的變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)代號(hào)為GE-57，在YF120發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上研制，并借鑒了IHPTET和VAATE計(jì)劃的研究成果。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從馬赫數(shù)0加速到馬赫數(shù)2，并以高風(fēng)扇壓比模式工作，然后轉(zhuǎn)換成低風(fēng)扇壓比模式加速到馬赫數(shù)3。馬赫數(shù)3以上加力燃燒室轉(zhuǎn)換成沖壓燃燒室，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換到接近慢車狀態(tài)工作，使飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)4以上。

RTA-2是在RTA-1基礎(chǔ)上發(fā)展的，主要用于考核飛發(fā)一體化技術(shù)，TBCC性能和可操作性，及可靠性和耐久性。RTA-2項(xiàng)目推出的TBCC飛行試驗(yàn)選擇X-43B為飛行驗(yàn)證平臺(tái)，并在2010～2011年開展了飛行試驗(yàn)，主要驗(yàn)證飛發(fā)一體化和模態(tài)轉(zhuǎn)換，全尺寸RTA將在2018年以后制造并試驗(yàn)[5]。

3.1.2 取得的進(jìn)展

(1)驗(yàn)證了渦扇+沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是渦輪基組合動(dòng)力中最具推重比潛力的結(jié)構(gòu)形式。

(2)驗(yàn)證了飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)的重要性。

(3)研究發(fā)現(xiàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程(啟動(dòng)、加速、開加力、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作、切斷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室關(guān)閉、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)、完成模態(tài)轉(zhuǎn)換、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速、巡航、下降、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉、再啟動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、著陸和停車)中機(jī)匣溫度，已達(dá)到常規(guī)鈦合金材料能承受的極限溫度。

(4)研究了模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)范圍，考察了渦輪基能否在馬赫數(shù)4以上工作及雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)3.5附近工作的能力[6]。

3.1.3 發(fā)展及應(yīng)用前景

RTA計(jì)劃對(duì)串聯(lián)式TBCC開展了大量探索性研究，認(rèn)為串聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)雖然具有輪廓尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但其受飛行馬赫數(shù)的限制較大，在高馬赫數(shù)飛行時(shí)難以保護(hù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，且渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在氣路中會(huì)造成很大的性能損失，進(jìn)而導(dǎo)致高馬赫

數(shù)狀態(tài)性能欠佳。這可能是FaCET計(jì)劃和SR-72平臺(tái)都采用并聯(lián)式TBCC的主要原因。目前，國(guó)外并無(wú)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的TBCC。

3.2 FaCET

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

FaCET計(jì)劃源于FALCON計(jì)劃，始于2005年，重點(diǎn)研究推進(jìn)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、燃燒室技術(shù)、一體化噴管技術(shù)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)。一體化設(shè)計(jì)主要研究了渦輪基與亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化內(nèi)旋式進(jìn)氣道，及一體化噴管。組合進(jìn)氣道、燃燒室和噴管部件開展了地面縮尺模型試驗(yàn)。

3.2.2 取得的進(jìn)展

(1)對(duì)一體化進(jìn)氣道、燃燒室和噴管三個(gè)部件單獨(dú)開展了縮尺模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了各部件具有在寬?cǎi)R赫數(shù)范圍(Ma3～6)內(nèi)工作的能力。

(2)在阿諾德工程發(fā)展中心的氣動(dòng)推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)上，采用變幾何進(jìn)氣道，分別在馬赫數(shù)3、4和6條件下進(jìn)行了自由射流試驗(yàn)，模擬了不同馬赫數(shù)下的流動(dòng)狀態(tài)[4]。驗(yàn)證了該推進(jìn)系統(tǒng)能成功點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)工具和計(jì)算方法。

(3)將進(jìn)氣道、亞燃/超燃沖壓燃燒室和噴管，與一高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(模擬流路)組合在一地面試驗(yàn)設(shè)備上，驗(yàn)證了從渦噴到?jīng)_壓模態(tài)和從沖壓到渦噴的模態(tài)轉(zhuǎn)換。

3.2.3 發(fā)展及應(yīng)用前景

FaCET計(jì)劃把TBCC重要部件組合到一起，進(jìn)行了地面試驗(yàn)和自由射流試驗(yàn)。盡管自由射流試驗(yàn)中沒有真實(shí)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但模擬給出了渦輪流道，為真正開展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，使TBCC部件集成技術(shù)得到了驗(yàn)證。下一步進(jìn)行的MoTr計(jì)劃，會(huì)將FaCET計(jì)劃驗(yàn)證的技術(shù)集成到一個(gè)試驗(yàn)件上，一旦試驗(yàn)成功，就能制造出具有工程應(yīng)用價(jià)值的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.3 TriJet

3.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

TriJet是美國(guó)航空噴氣公司新近提出的三噴氣TBCC方案，采用了渦輪、火箭引射沖壓和雙模沖壓三種發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)。其關(guān)鍵技術(shù)有火箭引射沖壓技術(shù)、中心燃燒技術(shù)、燃燒室與噴管一體化設(shè)計(jì)技術(shù)?；鸺錄_壓是指在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通道內(nèi)安裝引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣可在傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)范圍內(nèi)將其關(guān)掉，保持火箭引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)活門打開直至馬赫數(shù)4或更高。中心燃燒技術(shù)用來(lái)解決燃燒室內(nèi)部組織燃燒的問題[7]。

3.3.2 取得的進(jìn)展

(1)驗(yàn)證了中心燃燒技術(shù)。采用該技術(shù)可增大燃燒面積，產(chǎn)生更大推力。

(2)驗(yàn)證了火箭引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可為雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造持續(xù)氣動(dòng)節(jié)流條件。

(3)驗(yàn)證了燃燒室與噴管一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)即便用于馬赫數(shù)4一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，仍將有助于改善飛行器性能。

3.3.3 發(fā)展及應(yīng)用前景

在馬赫數(shù)能達(dá)到4的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用前，可暫時(shí)采用TriJet方案作為高超聲速飛行器的組合動(dòng)力。但TriJet方案的應(yīng)用前景并不樂觀，因?yàn)樵摲桨覆粌H結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且與渦輪基和沖壓/超燃沖壓組合的TBCC方案相比，飛行器航程短。

3.4 LAPCAT

3.4.1 關(guān)鍵技術(shù)

LAPCAT是歐洲2005年啟動(dòng)的高超聲速飛行器及其動(dòng)力研制計(jì)劃。其在TBCC動(dòng)力方案中提出的關(guān)鍵技術(shù)有：預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、單邊膨脹斜面噴管試驗(yàn)研究和超聲速燃燒試驗(yàn)技術(shù)[8]。

3.4.2 取得的進(jìn)展

(1)對(duì)輕質(zhì)換熱器和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪開展了試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并制造了兩個(gè)模型試驗(yàn)件，試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)件作為預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，能使預(yù)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)投入工程應(yīng)用。

(2)對(duì)壓氣機(jī)級(jí)數(shù)、風(fēng)扇級(jí)數(shù)和涵道比不同的三種變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行了研究。對(duì)比了分別以變循環(huán)和常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為渦輪基的TBCC，指出前者在延長(zhǎng)高速飛機(jī)航程方面具有優(yōu)勢(shì)。

(3)開展了完整的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，包括進(jìn)氣道、燃燒室和噴管。

(4)制造了單邊膨脹斜面噴管風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈤_展了相應(yīng)試驗(yàn)，考察了噴管周圍流場(chǎng)對(duì)飛行器的影響及噴管產(chǎn)生推力的效果。

(5)開展了超聲速燃燒的模型試驗(yàn)，考核設(shè)計(jì)工具，并對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正。

3.4.3 發(fā)展及應(yīng)用前景

通過(guò)開展LAPCAT計(jì)劃，驗(yàn)證了采用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的TBCC，能使馬赫數(shù)4～8的高超聲速飛行器實(shí)現(xiàn)半環(huán)球飛行。目前歐洲有16家單位正積極致力于此方案的進(jìn)一步研究。

3.5 SR-72

3.5.1 關(guān)鍵技術(shù)

SR-72是洛克希德·.馬丁公司于2013年11月公布的馬赫數(shù)6的高超聲速飛行器，采用并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)。該項(xiàng)目的技術(shù)源自FALCON計(jì)劃的HTV-3X項(xiàng)目，特別是動(dòng)力裝置。SR-72采用的并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)與HTV-3X驗(yàn)證的很相似(圖5、圖6)。項(xiàng)目中的關(guān)鍵技術(shù)有：推力接力技術(shù)、射流預(yù)冷卻技術(shù)、超級(jí)燃燒技術(shù)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)集成技術(shù)。

3.5.2 研究情況

在SR-72項(xiàng)目中，臭鼬工廠與航空噴氣洛克達(dá)因共同合作，借鑒FaCET項(xiàng)目技術(shù)，解決了TBCC動(dòng)力中現(xiàn)有渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的集成問題。FaCET項(xiàng)目完成的TBCC縮尺模型地面試驗(yàn)，由小型高馬赫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組成，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)共用一軸對(duì)稱進(jìn)氣道和噴管。SR-72項(xiàng)目的動(dòng)力集成方式與該模式聯(lián)系緊密。解決推力接力問題時(shí)，SR-72一方面借助HiSTED計(jì)劃開發(fā)的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，提升渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作馬赫數(shù)能提高到2.5以上；另一方面對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其工作包線能下移到馬赫數(shù)2.5左右。同時(shí)，還考慮采用射流預(yù)冷技術(shù)和超級(jí)燃燒技術(shù)來(lái)擴(kuò)大渦輪基工作包線。在SR-72概念構(gòu)想階段，TBCC的渦輪基采用戰(zhàn)斗機(jī)成熟發(fā)動(dòng)機(jī)改型，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)則繼承X-51A計(jì)劃中飛行驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)[9～11]。

3.5.3 發(fā)展及應(yīng)用前景

SR-72計(jì)劃在2018年進(jìn)入驗(yàn)證機(jī)開發(fā)階段，并在2023年實(shí)現(xiàn)首飛。其發(fā)展將以有人駕駛的飛行研究機(jī)(FRV)為起點(diǎn)，該研究機(jī)長(zhǎng)約18.3 m。預(yù)計(jì)SR-72驗(yàn)證機(jī)大小與F-22相當(dāng)，采用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，并能以馬赫數(shù)6飛行數(shù)分鐘。設(shè)想中的實(shí)用型SR-72將是雙發(fā)無(wú)人飛行器，機(jī)長(zhǎng)超過(guò)30.5 m，預(yù)計(jì)2030年交付部隊(duì)。

4 TBCC發(fā)展前景及啟示

4.1 TBCC發(fā)展勢(shì)頭迅猛

歐美等國(guó)從上世紀(jì)中期開始就堅(jiān)持不懈地發(fā)展TBCC技術(shù)。2011年，美國(guó)推出了高超聲速飛機(jī)發(fā)展路線圖(圖7)，明確提出TBCC動(dòng)力為2025年形成裝備的飛行器的主要?jiǎng)恿?。圖8也清晰地展示了美國(guó)海陸空三軍都在探索研究高超聲速飛行器及其動(dòng)力技術(shù)。2013年SR-72信息的披露，再次證實(shí)TBCC具有很好的發(fā)展前景和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。

從美國(guó)空軍發(fā)表的高超聲速飛機(jī)發(fā)展路線圖

中清晰看出，TBCC是可重復(fù)使用水平起降飛機(jī)最適合的動(dòng)力裝置，要求在2015財(cái)年TBCC集成技術(shù)達(dá)到技術(shù)成熟度5級(jí)水平，2017―2020財(cái)年完成TBCC飛行研究驗(yàn)證機(jī)的研制，在2021財(cái)年完成配裝TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)試飛，2025年形成裝備[12，13]。

4.2 TBCC技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

(1)模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)間多設(shè)定在馬赫數(shù)2.5～3.0。這是因?yàn)闆_壓發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)2.5以上具備較好的推進(jìn)效率，而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作的極限在馬赫數(shù)3.0。

(2)并聯(lián)式TBCC是組合動(dòng)力領(lǐng)域的主要研究方向。

4.3 TBCC發(fā)展啟示

(1)TBCC技術(shù)難度大，對(duì)此要有充分的估計(jì)。國(guó)外在發(fā)展TBCC技術(shù)時(shí)，早期開展的很多計(jì)劃都低估了該項(xiàng)技術(shù)的研究難度，在發(fā)動(dòng)機(jī)單項(xiàng)技術(shù)成熟度不高時(shí)就開始部件集成，部件集成技術(shù)還未充分驗(yàn)證就開始整機(jī)研制，最終導(dǎo)致失敗。截止目前，國(guó)外TBCC技術(shù)成熟度也僅僅是4級(jí)水平。為此，應(yīng)充分注重技術(shù)成熟度，只有在技術(shù)儲(chǔ)備到了一定階段才啟動(dòng)相應(yīng)研究，不應(yīng)急于求成。

(2)注重夯實(shí)基礎(chǔ)，充分挖掘渦輪基的潛力。國(guó)外在TBCC技術(shù)發(fā)展中對(duì)渦輪基給予了高度關(guān)注，如RTA和LAPCAT等計(jì)劃，都把TBCC關(guān)鍵技術(shù)突破重點(diǎn)放在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上。一方面希望通過(guò)變循環(huán)方案使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高；另一方面希望借助于預(yù)冷卻技術(shù)擴(kuò)展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包線，拓展其工作馬赫數(shù)范圍，以便TBCC順利實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換。

(3)開展大量的地面試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)。關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)基本通過(guò)部件模型試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)梯次開展，逐步驗(yàn)證。

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Development of Propulsion System for Near-Space HTHL High-Speed Vehicles Abroad

WANG Wei-wei，LI Dan，ZENG Jun
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Combined propulsion system is necessary for near-space high-speed vehicles because of broad flight envelop.TBCC,which enables horizontal takeoff/horizontal landing of hypersonic vehicles,is the best choice for that.Started with technology development roadmap of TBCC,the main technology domains of TBCC were summarized e.g.high-speed TBCC,ramjet/scramjet,airframe-engine integration and thermal protection.Combined with typical research projects as RTA,FaCET,Trijet,LAPCAT and SR-72,the key technologies and development of each project as well as future application were illustrated.In the end,the development trend and technology characteristics of TBCC were concluded.

high-speed vehicle；HTHL(horizontal takeoff/horizontal landing)；combined propulsion；TBCC engine；ramjet/scramjet

V235

：A

：1672-2620(2014)01-0057-06

2013-11-27；

：2013-12-15

王巍巍(1972-)，女，內(nèi)蒙古通遼人，譯審，碩士，長(zhǎng)期從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)情報(bào)研究與科技翻譯工作。