于文懷

目前，世界各航空強國為了更有效地掌握制空權，除了加強智能發(fā)動機、多電發(fā)動機等燃氣渦輪發(fā)動機技術研究發(fā)展外，紛紛開始探索新穎的發(fā)動機技術，將航空、航天推進技術進行組合，其中變循環(huán)組合發(fā)動機就是目前備受關注的、適合高超聲速飛行的新型發(fā)動機。本文對組合發(fā)動機的技術應用、特點、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢等進行簡要了介紹。

航空、航天推進技術組合的戰(zhàn)略意義

隨著世界航天航空技術的進步和新軍事變革，各國軍用武器裝備水平有了跨越式提高，使得天地往返運輸技術的發(fā)展顯得越來越迫切，“誰能控制空間，誰就能控制世界”。對于未來的航空（天）運載器來說，不僅要實現(xiàn)可重復使用，而且還要滿足必需的空間高度、飛行速度（達到高超聲速）、飛行距離以及更廉價進出空間的要求，其技術水平體現(xiàn)了一個國家自由進出空間和保持空間優(yōu)勢的能力。發(fā)動機作為空天飛機和重復使用航天運載器的核心部件，其系統(tǒng)方案和性能直接影響到飛行器的起飛方式、飛行速度、飛行高度和作用距離，進而影響到飛行器的運載能力、效能和可靠性。

空天飛機和可重復使用的航天運載器是航天與航空技術的高度綜合，一旦研制成功并投入使用，將對航空航天、未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式與對抗優(yōu)勢地位產(chǎn)生重要的影響。而RBCC火箭基組合循環(huán)發(fā)動機、TBCC渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機和ARCC吸氣式-火箭組合循環(huán)發(fā)動機對中、小型亞軌道飛行器具有良好的適用性和應用前景，可為亞軌道飛行器提供在多種跑道上起飛并重復使用的可行系統(tǒng)方案，有助于確定信息化高技術條件下空間競爭中的優(yōu)勢地位，建立有效的空間飛行作戰(zhàn)平臺，是未來高技術戰(zhàn)爭不可或缺的一部分，其發(fā)展水平關系到航空航天技術領域和國家安全，因而具有重要的戰(zhàn)略價值和意義。

國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

根據(jù)預測，在不久的將來美軍有能力在兩小時之內(nèi)將全副武裝的海軍陸戰(zhàn)隊士兵從美國本土投送至全球任何地點，且無需獲得外國領空的通行證。美國設想中運送士兵的超級飛行器是個亞軌道飛行器，一次可搭載13名海軍陸戰(zhàn)隊士兵以及兩名駕駛員。在飛行過程中，它先是被懸掛在一架大型亞軌道飛機的腹部，在被帶到數(shù)千米的高度后便與母機分離，然后通過超聲速沖壓噴氣發(fā)動機將飛行器提高至30千米的空域，再發(fā)動火箭發(fā)動機，以拋物線的軌跡將飛行器提升至80千米以上的太空。當?shù)竭_距離地面約110千米高度后，飛行器將展開雙翼并開始進入著陸階段。該飛行器將是能從根本上改變部隊作戰(zhàn)戰(zhàn)術的空間輸送系統(tǒng)，可重復使用和高超聲速飛行的特點使其具有強大的優(yōu)勢。

1.空天飛機與高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，美、俄等國都在加緊發(fā)展各自的“天軍”，甚至提出“誰能控制空間，誰就能控制世界”。在多種處于發(fā)展過程的天戰(zhàn)武器中，空天飛機和可重復使用航天運載器集飛機、運載器、航天器等多種功能于一身，既能在大氣層內(nèi)作高超聲速飛行，又能進入軌道運行，將是21世紀控制空間、爭奪制天權的關鍵武器裝備之一。美國、俄羅斯、法國、德國、日本、印度和澳大利亞等國已在高超聲速技術和空天飛機方面陸續(xù)取得了重大進展，并相繼進行了地面和飛行試驗。

⑴ 美國20世紀80年代中期實施了采用吸氣式推進、單級入軌（馬赫數(shù)25）的國家空天飛機計劃（NASP），大大推動了高超聲速技術的發(fā)展，僅美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心就進行了包括乘波外形一體化和超燃沖壓發(fā)動機試驗在內(nèi)的近3200次試驗。通過這些試驗，美國已基本掌握了馬赫數(shù)小于8的超燃沖壓發(fā)動機設計技術，并建立了大規(guī)模數(shù)據(jù)庫，從而為實際飛行器的工程設計奠定了堅實的技術基礎。

實施過程中美國不斷調(diào)整發(fā)展思路，NASA制定了以對采用的設計方法進行飛行驗證，繼續(xù)發(fā)展以超燃為動力的飛行器設計工具，降低由于氣動力、推進系統(tǒng)、結構/發(fā)動機/結構一體化預估不準確帶來的風險為主要目標的Hyper-X計劃，先后研制了以火箭為動力的空天飛行器X-33、X-37和X-43。2004年3月，以超燃沖壓發(fā)動機為動力的飛行器X-43A試飛獲得成功，可控飛行速度達到了馬赫數(shù)7，持續(xù)飛行8秒鐘，飛行高度28千米。美國空軍2008年開始研制X-51“乘波者”的高超聲速巡航導彈，采用超燃沖壓發(fā)動機，飛行速度將達到6000千米/時，如果研制成功將使美軍具有可在60分鐘內(nèi)對全球任何地點實施精確打擊的武器。美國國防部與航宇局也制定了名為“FALCON”的計劃，發(fā)展可重復使用的跨大氣層空天飛行器，以實現(xiàn)其快速全球打擊構想，其核心部分就是可重復使用、可再入大氣層、以高超聲速飛行、無人駕駛的空天飛機，認為它將成為未來最重要的新型空天飛行作戰(zhàn)平臺，為空天運輸和攻防對抗提供超凡的能力。

⑵ 俄羅斯在高超聲速技術領域仍處于世界領先地位，在亞燃/超燃沖壓發(fā)動機、耐高溫材料、C/H燃料、CFD技術及一體化設計技術等方面取得了重大突破，且已經(jīng)進入了高超聲速技術飛行驗證階段。在空天飛機研究方面，俄羅斯研制了“暴風雪號”和“彩虹號”高超聲速試驗飛行器，其設計飛行速度馬赫數(shù)為2.5～6，飛行高度為15～30千米；此外，俄羅斯還研制了采用氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的IGLA高超聲速試驗飛行器，飛行速度馬赫數(shù)為6～14。

⑶ 德國設計了“森格爾”空天飛機，英國則在進行“霍托爾”空天飛機研制，日本也在研制成本更低廉的空天飛機，采用吸氣式發(fā)動機和火箭組合的推進系統(tǒng)，應用人工智能飛行控制技術。

2.空天飛機和航天運載器推進系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，空天飛機和可重復使用的航天運載器可以采用的推進系統(tǒng)主要有：火箭發(fā)動機、吸氣式發(fā)動機和組合循環(huán)發(fā)動機?；鸺l(fā)動機是推進系統(tǒng)中到目前為止技術最為成熟的一種發(fā)動機，其特點是不依賴大氣中的氧，以自身攜帶的推進劑作能源，所以這種發(fā)動機可以在大氣層內(nèi)外工作，并且還不受飛行器飛行速度、飛行高度和外形尺寸的影響。但是，火箭發(fā)動機需要自帶大量的氧化劑，通常氧化劑的重量大約占總起飛重量的2/3，因而其比沖較低，有效載荷小，飛行成本高，在超聲速和高超聲速飛行時，續(xù)航能力不足。而液體火箭發(fā)動機結構復雜、燃料儲罐尺寸大，還不具有即時發(fā)射性。與火箭發(fā)動機不同，吸氣式發(fā)動機在飛行過程中直接使用空氣中的氧氣，自身不需要攜帶氧化劑，其比沖大，并可以大幅度減小飛行器的質(zhì)量和尺寸，有效提高飛行器的飛行距離和有效載荷；但是渦輪發(fā)動機的結構復雜，并且在馬赫數(shù)大于3時，其比沖降低很大，所以，它不適合用作馬赫數(shù)3～5或更高速度飛行器的推進系統(tǒng)。沖壓發(fā)動機沒有渦輪發(fā)動機的壓氣機和渦輪那么復雜的轉動部件，構造簡單，重量比較輕，使用維修方便，并且在馬赫數(shù)大于3時，其比沖優(yōu)于其它類型的發(fā)動機，是高速飛行器比較理想的發(fā)動機類型。但是沖壓發(fā)動機的工作與飛行速度的關系極為密切，當飛行馬赫數(shù)很低時，沖壓增壓比小，發(fā)動機循環(huán)效率低，推力??；極限情況下，飛行馬赫數(shù)為零時，推力就等于零，即沖壓發(fā)動機不能自行起動；而當飛行器飛行速度超過馬赫數(shù)5，采用亞燃燃燒方式時燃燒效率下降很快，就必須采用超燃方案來解決燃燒問題，而超燃帶來的技術難點較多；同時，當飛行高度超過50～60千米時，由于空氣稀薄，燃燒所需要的從空氣中獲得的氧氣不足以維持穩(wěn)定燃燒，故采用沖壓發(fā)動機的飛行器受到飛行高度的限制。如果飛行器的飛行高度要達到亞軌道，還需要火箭發(fā)動機的支持。因此，對于飛行高度要求達到80～100千米及以上的亞軌道重復使用空天飛機和航天運載器來講，需要采用組合循環(huán)的發(fā)動機，將兩種或多種發(fā)動機循環(huán)有機地組合在一起，取長補短，以提高性能，滿足使用要求。常用的組合發(fā)動機有火箭基組合發(fā)動機（RBCC）、吸氣式組合發(fā)動機，也稱為渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（TBCC）和脈沖爆震火箭發(fā)動機（PDE）等。

RBCC發(fā)動機集火箭、沖壓/超燃沖壓發(fā)動機于一體，優(yōu)勢互補，從地面到太空軌道都能提供動力。具體可以是：從起飛到馬赫數(shù)2.25采用火箭動力，并由來自進氣道的空氣加力，火箭安裝在發(fā)動機火焰管中的一個掛架上。速度超過馬赫數(shù)2.25后，火箭關機，發(fā)動機轉為沖壓模式，燃料仍由排氣管處的噴注器提供。當運載器加速到馬赫數(shù)5以上時，發(fā)動機過渡到超燃沖壓模式，此時要啟用火焰管中部的新燃料噴注器，而后部的噴注器則被關掉。速度超過馬赫數(shù)10.5而運載器要離開大氣層時，無法再利用大氣中的氧，此時，發(fā)動機進氣道要關閉，火箭部分重新開始工作。美國航宇局馬歇爾航天飛行中心目前正在研究對RBCC發(fā)動機進行飛行驗證的幾種方案，包括楔形的“望星者”小型運載器（采用4臺超燃沖壓RBCC發(fā)動機）、相對較簡單的“星騎兵”（使用2臺沖壓RBCC發(fā)動機）和天龍座DRACO（D-21靶機改裝）?！巴钦摺焙汀靶球T兵”都將進入軌道，而“天龍座”則將只在大氣層內(nèi)進行試驗，由SR-71“黑鳥”飛機發(fā)射。

渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動機與RBCC的概念相近，只是在低速飛行階段使用基于渦輪的壓縮系統(tǒng)，在彈用發(fā)動機和SR-71“黑鳥”高空高速偵察機上得到很多應用。而脈沖爆震發(fā)動機（PDE）的大致工作過程是：燃料先同流過管狀發(fā)動機的空氣混合，然后引發(fā)爆震。此時燃燒波開始沿發(fā)動機管向后傳播。隨著火焰前鋒沿管道向下游運動，火焰前方空氣/燃料混合物會受到壓縮，并在壓力達到臨界水平時產(chǎn)生爆炸。同時，火焰前鋒過后造成的壓力降會使新鮮的燃料被吸入管中，而爆震波離開排氣管會使壓力進一步降低，從而會把空氣吸入進氣道，引發(fā)下一個爆震循環(huán)，每個循環(huán)所需的時間都非常短。為了獲得恒定的推力，全尺寸的脈沖爆震發(fā)動機將由多個燃燒管組成陣列。美國航宇局在1999年其新設立的方案計劃將脈沖爆震發(fā)動機列為三個將進入驗證階段的項目之一，國內(nèi)西北工業(yè)大學、國防科技大學等單位在這方面也進行了很多深入細致的研究。

ARCC發(fā)動機概念及相關技術

以中、小型亞軌道飛行器為背景需求的ARCC發(fā)動機目前正在研制，其系統(tǒng)方案、關鍵部件研究及性能分析中所采用的發(fā)動機（見圖1）是由以煤油作為燃料的常規(guī)渦輪噴氣發(fā)動機或基于旋轉沖壓壓縮技術的渦輪發(fā)動機、亞燃或超燃沖壓發(fā)動機和固體火箭發(fā)動機組成，是一種新型的可重復使用的航天運載器的推進系統(tǒng)。

ARCC發(fā)動機綜合了渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓發(fā)動機和固體火箭發(fā)動機單獨工作時的優(yōu)點，同時彌補了各自的不足之處，使采用這種發(fā)動機的飛行器在不同的飛行條件下都能具有良好的推進性能。以采用旋轉沖壓壓縮技術的渦輪噴氣發(fā)動機為例，其基本工作過程是：飛行器從地面起飛時，采用旋轉沖壓壓縮轉子的渦輪發(fā)動機開始工作，來流空氣經(jīng)兩級旋轉沖壓壓縮轉子壓縮增壓后，進入燃燒室與煤油混合燃燒，然后再經(jīng)高低壓渦輪膨脹，由尾噴口噴出產(chǎn)生推力。達到轉接馬赫數(shù)后，關閉渦輪發(fā)動機，起動沖壓發(fā)動機，使飛行器從10千米爬升到30～50千米高空，飛行速度馬赫數(shù)達到5～7。此時空氣壓力和密度已不再適合沖壓發(fā)動機工作，因而關閉沖壓發(fā)動機，起動固體火箭發(fā)動機，將飛行器由30～50千米高空推至80～100千米高空。返回過程中，飛行器由80～100千米高空作無動力滑翔至大約30～50千米高空，此后及近地飛行時，可以再重新起動沖壓發(fā)動機或渦輪發(fā)動機（需要預留燃料），做有動力機動飛行。

1.激波壓縮技術與旋轉沖壓壓縮轉子

旋轉沖壓壓縮轉子是采用激波壓縮技術的一種新型的壓縮系統(tǒng)。激波壓縮是一種利用超聲速氣流繞流物體流動時產(chǎn)生的激波來對氣流進行壓縮的壓縮方式，現(xiàn)階段主要應用在超聲速飛行器的進氣道中。與渦輪發(fā)動機中經(jīng)常采用的軸流式和離心式氣流壓縮方式相比，激波壓縮具有增壓比高、壓縮效率高、結構簡單、重量輕、沒有或轉動部件少等優(yōu)點，是一種高效而有巨大潛在應用價值的氣流壓縮方式，如圖2中（a）所示。在來流馬赫數(shù)大約為2.2時，激波壓縮就能達到大約10的增壓比（見圖3）?；谶@樣的思想，美國Ramgen動力系統(tǒng)公司提出了基于激波壓縮技術的新型壓縮系統(tǒng)—Rampressor的概念，我們稱之為旋轉沖壓壓氣機，圖2中（b）是其核心部件——旋轉沖壓壓縮轉子及其輪緣流道的轉變示意圖。這種新型的壓縮系統(tǒng)融合了超聲速飛行器進氣道中所用的激波壓縮技術與常規(guī)軸流式和離心式壓氣機的設計技術，從而獲得了一種高效的壓縮系統(tǒng)（圖2中（c））。與軸流壓氣機相比，這種新型的壓縮系統(tǒng)的單級壓比可達15或更高，而要達到這樣高的壓比，軸流壓氣機需要8～12級。在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)工作及在高的單級負荷條件下可獲得不低于85%（最高可達93%，參見圖4所示旋轉沖壓壓縮轉子預期效率與典型離心式壓氣機效率隨壓比的變化）的級效率，具有總壓縮效率高、產(chǎn)生損失的氣動面積小、結構簡單、軸向長度短和重量輕的優(yōu)點。由上述分析可以看出，旋轉沖壓壓縮技術是一種極具潛力和發(fā)展前景的新型壓縮技術，這種技術的應用將給發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)帶來一場革命性的變革，利用雙級旋轉沖壓壓縮轉子，可以實現(xiàn)45～50的高壓比。

2.轉接馬赫數(shù)和亞燃/超燃沖壓發(fā)動機技術

大量研究文獻指出，渦輪噴氣發(fā)動機由于燃燒室出口溫度受到渦輪葉片熱強度等的限制，隨著飛行馬赫數(shù)的增加，燃燒室出口溫度增加，不得不減少發(fā)動機的供油量以減少加熱量，從而導致發(fā)動機熱力循環(huán)效率迅速下降。飛行速度越高，發(fā)動機進口速度沖壓就越大，當飛行馬赫數(shù)接近3時，發(fā)動機進氣道沖壓壓縮已達到相當高的氣流壓強，致使渦輪—壓氣機系統(tǒng)成了高速飛行時發(fā)動機的多余部件。一般來講，國內(nèi)外基本將渦輪-沖壓組合循環(huán)發(fā)動機中渦輪發(fā)動機與沖壓發(fā)動機的轉接馬赫數(shù)選定為2.25～2.5。

在馬赫數(shù)2～5范圍內(nèi)，流經(jīng)沖壓發(fā)動機的氣流經(jīng)過擴壓后靜壓、靜溫升高，使得同樣加入熱量情況下熵增較小，所以亞燃沖壓發(fā)動機燃燒室中總壓損失較小。雖然亞燃沖壓發(fā)動機的進氣道內(nèi)有較強的正激波損失，但亞燃沖壓發(fā)動機與超燃沖壓發(fā)動機相比，亞燃沖壓發(fā)動機總損失要小。隨著飛行速度的增加，亞燃沖壓發(fā)動機進氣道中正激波損失不斷加大，到馬赫數(shù)5～6時，亞燃沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機的循環(huán)損失幾乎相等。當馬赫數(shù)大于6時，超燃沖壓發(fā)動機就明顯地顯示了其優(yōu)越性。在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中，靜溫、靜壓都比較低，這不僅從化學熱力學來看是有利的（因熱力分解程度減輕，氧化程度更高），而且還大大減少了熱傳導損失，減輕了結構負荷。但在超聲速氣流中加熱不僅會引起較大的總壓損失，而且由于燃燒室中氣流速度很高，噴嘴噴出的燃料在燃燒室中駐留的時間很短，只有幾毫秒的時間，在這樣短的時間內(nèi)燃料必須與超聲速氣流進氣有效地混合、燃燒，否則燃料將被吹出燃燒室，從而造成燃燒室火焰熄滅，燃燒效率下降，甚至發(fā)動機不能正常工作，因此超燃的點火及燃燒穩(wěn)定性問題比較嚴重，會大大增加發(fā)動機組織有效燃燒的困難。因此，亞燃沖壓發(fā)動機與超燃沖壓發(fā)動機都有其最佳工作范圍，采用哪種燃燒形式或是采用雙模態(tài)，應該根據(jù)沖壓發(fā)動機工作的馬赫數(shù)范圍和飛行高度等來綜合確定。

結論

鑒于ARCC發(fā)動機本身的寬廣工作范圍和可能達到的良好的工作特性并考慮未來中、小型亞軌道飛行器對推進系統(tǒng)的要求，可知ARCC發(fā)動機可以作為空天飛機和重復使用航天運載器推進系統(tǒng)的候選方案之一。組合循環(huán)發(fā)動機基礎及實際應用領域的第一項技術進步，都將不斷強化空天飛機和重復使用航天運載器研究和發(fā)展的動力基礎，對提升航天技術、鞏固國防安全具有巨大的促進作用。

（作者單位系中航工業(yè)黎明）