王偉，董愛群，李丹

(中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

0 引 言

TBCC發(fā)動機(jī)是由渦輪發(fā)動機(jī)與沖壓發(fā)動機(jī)組成的組合循環(huán)發(fā)動機(jī)，為空天高超聲速飛行器的動力解決方案之一。在TBCC組合發(fā)動機(jī)中，渦輪級發(fā)動機(jī)提供低速段動力，沖壓級發(fā)動機(jī)提供高速段動力。

傳統(tǒng)單一的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)飛行器，由地面電源車和氣源車分別提供發(fā)動機(jī)起動之前的電源和氣源，由起動系統(tǒng)通過齒輪箱帶轉(zhuǎn)渦輪級發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子，發(fā)動機(jī)起動完成后，起動機(jī)脫開，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通過發(fā)動機(jī)軸、齒輪箱與飛機(jī)第二動力系統(tǒng)連接，通過軸功率輸出轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的需求功率。

區(qū)別于單一的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，渦輪發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，沖壓發(fā)動機(jī)沒有轉(zhuǎn)子部件，無法從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸提取功率以滿足沖壓發(fā)動機(jī)附件及飛機(jī)的功率需求。

目前，國內(nèi)外鮮有關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)并聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)提取飛機(jī)功率的報道和文獻(xiàn)，本文研究飛機(jī)第二動力系統(tǒng)的動力形式，結(jié)合并聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)工作包線和功率需求，提出并聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)可行的綜合能源方案。

1 第二動力裝置的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀

飛機(jī)第二動力系統(tǒng)獨(dú)立于主發(fā)動機(jī)，可以單獨(dú)做功或從已工作的發(fā)動機(jī)提取功率，為飛行器提供所需的三種能源：①為航電設(shè)備、泵、除冰及照明等提供電能；②為飛行器襟翼、副翼、尾翼等舵面的飛行控制、起落架、艙門及剎車等提供液壓能；③為艙內(nèi)空調(diào)、加壓和發(fā)動機(jī)起動等提供氣壓能。

第二動力系統(tǒng)由輔助動力裝置(APU)、應(yīng)急動力裝置(EPU)、起動裝置、附件驅(qū)動裝置、發(fā)電機(jī)、液壓泵等組成。第二動力系統(tǒng)的組成中，可以作為能量源輸出的動力類型有：輔助動力裝置(APU)、燃?xì)鉁u輪起動機(jī)(GTS)、沖壓空氣渦輪(RAT)、電動起動機(jī)、起動發(fā)電機(jī)、空氣渦輪起動機(jī)(ATS)和航空蓄電池。

一代機(jī)～五代機(jī)的起動系統(tǒng)如表1所示。

表1 飛行器的起動系統(tǒng)

從表1可以看出：第二動力系統(tǒng)隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展和需求的提高而不斷發(fā)展。

1.1 航空蓄電池

航空蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鋰離子蓄電池。航空蓄電池的輸入電壓為28 V直流，輸出電壓為24～28 V，具有提供短時間的功率儲存能力，典型的可達(dá)30 min。其常與主電源發(fā)電機(jī)并聯(lián)使用，發(fā)動機(jī)正常工作時，由發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電，并通過自動變壓器(ATU)和變壓整流器(TRU)將高壓交流電轉(zhuǎn)換為28 V直流電，對蓄電池充電。當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時，電源轉(zhuǎn)換器將28 V直流電轉(zhuǎn)化為270 V直流電，供發(fā)動機(jī)起動或作為應(yīng)急用電[1-2]。

鉛酸蓄電池應(yīng)用最早，其功率密度低，內(nèi)阻大，高倍率放電性能不理想，特別是低溫性能不能滿足高寒等特殊地區(qū)的環(huán)境要求。鎳鎘電池技術(shù)成熟，放電能力和低溫性能優(yōu)異，可靠性和安全性較高，是目前航空飛行器的主要應(yīng)急電源[1-2]。例如，空客、波音的民用客機(jī)使用鎳鎘電池組作為機(jī)載電池，C-17運(yùn)輸機(jī)配裝鎳鎘蓄電池用于啟動輔助動力裝置并提供應(yīng)急直流電，MB339教練機(jī)使用鎳鎘蓄電池啟動發(fā)動機(jī)。鋰離子電池在功率密度和充/放電特性方面具有優(yōu)勢，A350XWB飛機(jī)上應(yīng)用法國SAFT公司提供的四個45 Ah的鋰電池作為主蓄電池和應(yīng)急蓄電池；B787應(yīng)用鋰電池作為主蓄電池，但在2013年初B787出現(xiàn)過鋰電池過熱失火問題，其安全性比鎳鎘電池差。

鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰離子電池功率密度對比如表2所示[1]，可以看出：鉛酸電池的額定容量、每千克功率和功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎳鎘電池和鋰離子電池；按照最高輸出電壓28 V計算，鎳鎘電池的能量不超過4 032 kJ，鋰離子電池的能量不超過4 435 kJ，鎳鎘電池和鋰離子電池的能量密度分別為109.0和244.5 kJ/kg。

表2 鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰離子電池功率密度對比

1.2 電動起動機(jī)

電動起動機(jī)自帶蓄電池，僅用于啟動發(fā)動機(jī)，主要用于起動輕型飛機(jī)和小推力/功率發(fā)動機(jī)，例如推力在1 500 kg以下的渦噴和渦扇發(fā)動機(jī)，由于蓄電池的容量限制和電動起動機(jī)的體積限制，不適用于起動大功率發(fā)動機(jī)。

1.3 起動發(fā)電機(jī)

起動發(fā)電機(jī)為集起動機(jī)和發(fā)電機(jī)功能于一體的電機(jī)，先作電動起動機(jī)用，在發(fā)動機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后作發(fā)電機(jī)用。隨著飛機(jī)從傳統(tǒng)的氣壓、液壓到電能的轉(zhuǎn)化，起動發(fā)電機(jī)是多電飛機(jī)、多電發(fā)動機(jī)的機(jī)載電系統(tǒng)綜合化的發(fā)展趨勢[3]。按照電機(jī)輸出類型，起動發(fā)電機(jī)分為低壓直流起動發(fā)電機(jī)、高壓交流起動發(fā)電機(jī)和高壓直流起動發(fā)電機(jī)。

低壓直流起動發(fā)電機(jī)輸出電壓為28 V，起動功率不大于20 kW，功率質(zhì)量比僅為0.17～0.27 kW/kg，適用于中低推力/功率發(fā)動機(jī)，主要是二代機(jī)使用[4]。

高壓交流起動發(fā)電機(jī)有兩種類型：恒頻交流起動發(fā)電機(jī)和變頻交流起動發(fā)電機(jī)。恒頻交流起動發(fā)電機(jī)分為恒速恒頻和變速恒頻。恒速恒頻交流發(fā)電機(jī)輸出電壓115/200 V，頻率400 Hz，額定容量可達(dá)150 kVA，其與恒速傳動裝置CSD集成為組合傳動發(fā)動機(jī)IDG，廣泛應(yīng)用于空客A380之前的飛機(jī)。1970年代，誕生了用電力電子轉(zhuǎn)換器替代恒速傳動裝置CSD的變速恒頻發(fā)電機(jī)VSCF，可將電源效率從70%提高到80%，但過載能力比IDG差。變頻交流發(fā)電機(jī)(VFG)的輸出電壓為115/200 V，頻率范圍為300～800 Hz，取決于實(shí)際應(yīng)用，不需要恒速傳動裝置CSD和電力電子轉(zhuǎn)換器，同恒頻交流發(fā)電機(jī)相比，集成化程度和功率密度高，電源效率提高到90%，應(yīng)用于A350XWB和B787，其中A350XWB的VFG額定功率為100 kVA，B787的VFG額定功率為250 kVA[5]。

隨著軍用飛機(jī)性能要求的提高，激光等高能武器的發(fā)展，超常規(guī)機(jī)動能力和高智能化等加大了對非線性負(fù)載的使用，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠且能不中斷供電的270 V直流高壓起動發(fā)電機(jī)成為軍用飛機(jī)多電系統(tǒng)電源的發(fā)展方向。由于在尺寸和可利用性方面的優(yōu)勢，全電飛機(jī)開始應(yīng)用于大型客機(jī)，例如A380和B747，對發(fā)電機(jī)的功率需求達(dá)到兆瓦級[6]。2012年，美國的第三代多電飛機(jī)綜合運(yùn)用了內(nèi)置式整體起動發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和儲能裝置，使多電發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的電力達(dá)到幾兆瓦[7]。

1.4 輔助動力裝置(APU)和燃?xì)鉁u輪起動機(jī)(GTS)

APU是一臺專門設(shè)計的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，具有獨(dú)立的燃油、滑油、起動、冷卻系統(tǒng)，啟動方式有機(jī)場電源、機(jī)載蓄電池、液壓馬達(dá)、電動機(jī)和應(yīng)急動力裝置。

最初的APU為軸功率輸出型，即為燃?xì)鉁u輪起動機(jī)GTS，GTS通過齒輪箱與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子和飛機(jī)附件機(jī)匣連接，輸出軸功率起動發(fā)動機(jī)，傳遞效率高、速度快，在軍用戰(zhàn)斗機(jī)上有廣泛應(yīng)用。典型代表為美F-15、美F-16、幻影2000及俄Su-27。俄Su-27應(yīng)用KLIMOV公司研制的GTDE-117型GTS作為AL-31F發(fā)動機(jī)的起動機(jī)，具有短時工作起動發(fā)動機(jī)和提供應(yīng)急功率兩種功能。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，APU已從單一作為機(jī)上啟動能源，發(fā)展為輸氣和輸出軸功率相結(jié)合的輔助動力。在發(fā)動機(jī)地面和空中起動時，為空氣渦輪起動機(jī)提供壓縮空氣；在飛行中出現(xiàn)發(fā)動機(jī)故障、電源故障或液壓系統(tǒng)故障時，為飛機(jī)提供氣源、電源和液壓源?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)和民用客機(jī)上，例如美F-18/F-117/F-22、歐洲臺風(fēng)、歐洲陣風(fēng)、瑞典JAS39、B787和A380[8]。

國外典型戰(zhàn)斗機(jī)及大型客機(jī)的APU(包含GTS)及其參數(shù)如表3所示[9]。APU一般體積小，進(jìn)氣量少，起動包線有限，不能在整個飛行包線內(nèi)起動發(fā)動機(jī)。國外技術(shù)成熟，已形成系列發(fā)展，當(dāng)量功率可以達(dá)到兆瓦。國內(nèi)對國外成熟燃?xì)鉁u輪起動機(jī)產(chǎn)品，例如MK-200和F117進(jìn)行了國產(chǎn)化生產(chǎn)，分別為DQ-23和WQ66，此類起動機(jī)類似于小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，因此國產(chǎn)化的產(chǎn)品故障不斷，雖其功率較大仍限制了其應(yīng)用，并且質(zhì)量也較大。國內(nèi)燃?xì)鉁u輪起動機(jī)功率偏低，目前只有WQ66B系列能夠達(dá)到100 kW。

表3 國外典型戰(zhàn)斗機(jī)及大型客機(jī)的APU(包含GTS)及其參數(shù)

1.5 空氣渦輪起動機(jī)(ATS)

空氣渦輪起動機(jī)以壓縮空氣為能源，驅(qū)動沖擊式渦輪輸出功率，再經(jīng)減速器、離合器等部件帶動起動[10-11]?？諝鉁u輪起動機(jī)產(chǎn)生的軸功率傳給主發(fā)動機(jī)，完成對主發(fā)動機(jī)的起動。工作所需的壓縮空氣由機(jī)載高壓氣瓶、APU、已工作發(fā)動機(jī)或機(jī)場氣源車供給。整個空氣渦輪起動系統(tǒng)的單位功率為0.55～0.88 kW/kg?？諝鉁u輪進(jìn)口處的空氣參數(shù)：溫度通常為150～200 ℃，壓力不超過2.5～5.0 bar[4](1 bar=100 kPa)。

ATS廣泛應(yīng)用于典型戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)起動，例如美F-22配裝ATS起動F119發(fā)動機(jī)，歐洲陣風(fēng)配裝ATS起動M88發(fā)動機(jī)，美F-18、F-17、瑞典JAS39配裝ATS起動F404發(fā)動機(jī)，多個型號的空客和波音的民用客機(jī)配裝ATS作為起動機(jī)，俄羅斯SuperJet100支線飛機(jī)為ATS 337配裝Microturbo公司生產(chǎn)的空氣渦輪起動機(jī)SAM146。目前國內(nèi)起動成附件技術(shù)水平相比較，達(dá)到100 kW以上的起動機(jī)很少，除了DQ-510空氣渦輪起動機(jī)系列功率能超過100 kW外，其余空氣渦輪起動機(jī)功率都較低。DQ-510空氣渦輪起動機(jī)是俄羅斯CTB-3T起動機(jī)的國產(chǎn)化型號，國內(nèi)外空氣渦輪起動機(jī)的主要參數(shù)如表4所示[12]。

表4 國內(nèi)外空氣渦輪起動機(jī)主要參數(shù)

1.6 沖壓空氣渦輪(RAT)

沖壓空氣渦輪RAT是應(yīng)用在民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)上的一種應(yīng)急動力裝置，利用氣流在渦輪葉片上的作用，將飛機(jī)飛行中來流的動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。RAT根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為槳葉式和涵道式兩種[13]。槳葉式為葉片暴露在外面的渦輪，在低速至中等亞聲速飛行時，可以將氣流動能有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，但當(dāng)馬赫數(shù)超過0.6，葉尖的馬赫數(shù)超過1.5時，激波和氣流分離產(chǎn)生的阻力使能量轉(zhuǎn)化效率大幅降低。因此，引入涵道式結(jié)構(gòu)，保證沖壓空氣渦輪在飛機(jī)亞聲速和超聲速飛行時，都能正常工作。槳葉式?jīng)_壓空氣渦輪多應(yīng)用在民航客機(jī)上，典型的RAT直徑為80 cm左右，能產(chǎn)生的功率為5～70 kW[14]。涵道式?jīng)_壓空氣渦輪一般應(yīng)用在軍用飛機(jī)領(lǐng)域。

RAT可以帶動發(fā)電機(jī)和液壓泵，為飛機(jī)提供電力和液壓能，為軍用飛機(jī)電子吊艙提供自主電力。在A380之前的空客飛機(jī)使用沖壓空氣渦輪作為其中一路液壓系統(tǒng)的能量源，在發(fā)動機(jī)全部故障時，為液壓系統(tǒng)提供應(yīng)急壓力，可以保障飛機(jī)的基本飛行控制。A350XWB的應(yīng)急電源系統(tǒng)為沖壓空氣渦輪與發(fā)電機(jī)組合構(gòu)成的沖壓渦輪發(fā)電系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)和APU出現(xiàn)故障后，為飛機(jī)提供功率為50 kVA的變頻交流電源，保證主要的儀表盤和基本飛行控制的供電。在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用有美艦載電子戰(zhàn)飛機(jī)EA-6B，RAT為機(jī)載電子干擾吊艙提供自主發(fā)電電源[15]。二戰(zhàn)時期，德國的Me-163是世界上唯一一款服役的全火箭動力的戰(zhàn)斗機(jī)，由于無法獲得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，RAT是全機(jī)電力供應(yīng)的來源。

沖壓空氣渦輪結(jié)構(gòu)比較簡單，質(zhì)量較輕，因?yàn)樾枰諝鈩幽軉?，所以只能在飛行速度達(dá)到一定量時才能工作。

2 第二動力裝置的發(fā)展趨勢

多電和全電飛行器及推進(jìn)系統(tǒng)、混合電推進(jìn)系統(tǒng)是未來飛行器和推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向。當(dāng)前電動機(jī)功率密度為8.8～11.0 kWh/kg，鋰電池功率密度為0.15 kWh/kg，下一代鋰電池的功率密度為0.45 kWh/kg，而歐洲和美國探索的2030年民用航空分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)對電動機(jī)的功率密度要求為16.2 kWh/kg，對儲能裝置功率密度的要求為0.6 kWh/kg[16]。定向能武器裝備于戰(zhàn)斗機(jī)已成為未來軍用飛機(jī)的發(fā)展方向，為了對攻擊目標(biāo)達(dá)到一定的殺傷效果，要求提供給激光束、粒子束等定向能武器的能量達(dá)到兆瓦級。為了實(shí)現(xiàn)攻擊敵機(jī)或地面目標(biāo)時大功率輸出，高壓大功率內(nèi)置式起動發(fā)電機(jī)和大功率密度的儲能裝置成為第五代戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，高功率密度的超導(dǎo)電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和大比能量的電能儲能裝置是未來民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)第二動力裝置的發(fā)展趨勢。

美國先進(jìn)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載電源功率為65 kW，F(xiàn)-35的發(fā)電功率可達(dá)400 kW[17]。傳統(tǒng)的銅制線圈機(jī)載發(fā)電機(jī)發(fā)電功率只能達(dá)到幾百千瓦，若將發(fā)電功率提高至兆瓦級，發(fā)電系統(tǒng)的體積重量將過于龐大，無法裝機(jī)。超導(dǎo)材料具有零電阻、可在無鐵芯的情況下產(chǎn)生極高的強(qiáng)磁場。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和常規(guī)發(fā)電機(jī)相比，重量將減輕80%～90%[18]。我國早在1997年就成功開發(fā)了400 kW的低溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，并試制了10 MW的模型樣機(jī)[19]。2004年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室起動了“MW級電源系統(tǒng)MEPS”計劃，旨在為大功率用電設(shè)備開發(fā)一種超導(dǎo)發(fā)電系統(tǒng)。GE公司在2007年研制完成了一臺1 MW的發(fā)電機(jī)樣機(jī)[17]。目前NASA正在開展超導(dǎo)電機(jī)的研究，重點(diǎn)研究低溫冷卻和液氫冷卻兩種冷卻方案，以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電機(jī)工作需求的超冷環(huán)境[16]使用。

歐盟“Flightpath 2050”計劃中，空客、西門子和羅羅公司聯(lián)合研發(fā)應(yīng)用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的“E-Airbus”支線客機(jī)，在起飛階段的額外動力由大比能量的電能儲能裝置提供[16]。大比能量的電能儲能裝置的發(fā)展方向有燃料電池、聚合物鋰離子電池和核電池。

燃料電池直接把儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。20世紀(jì)60年代，美國成功地將培根型中溫氫氧燃料電池作為主電源應(yīng)用于阿波羅登月飛船。按電解質(zhì)不同，可將燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC和堿性燃料電池AFC。AFC的燃料和氧化劑為純氫和純氧，是在航天飛機(jī)、載人航天器上應(yīng)用最成功的燃料電池，但其成本高、壽命短[20]。再生燃料電池RFC一般由PEMFC組成，是NASA為月球基地電源系統(tǒng)和近空間飛行器動力系統(tǒng)集中研究的能源形式[21]。目前燃料電池的轉(zhuǎn)化效率為50%～60%，功重比為1 kW/kg。氫的供應(yīng)方式包括高壓氣瓶、將碳納米管作為飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料吸收存儲氫及分解航空煤油生成氫。未來燃料電池的效率會提高到70%～80%，功重比提高到3.5 kW/kg。波音、通用和普惠公司正在合作研究一系列的混電推進(jìn)系統(tǒng)，其中包含采用燃料電池/燃?xì)鉁u輪混合的fFan推進(jìn)系統(tǒng)[16]。

聚合物鋰離子電池采用具有離子導(dǎo)電性并兼具隔膜作用的凝膠聚合物的電解質(zhì)代替液態(tài)鋰離子電池中的液體電解質(zhì)。聚合物鋰離子電池中，凝膠聚合物為正極，常用的材料有聚乙炔、聚苯、聚苯胺和含硫聚合物，金屬鋰為負(fù)極?，F(xiàn)在聚合物鋰離子電池的比能量能達(dá)到200 Wh/kg，比液態(tài)鋰離子電池高，大約是鎳鉻電池的3～4倍。N.Oyama等[22]通過采用導(dǎo)電聚合物，例如聚苯胺等對含硫聚合物DMCT進(jìn)行改性，使其達(dá)到分子水平的耦合，可使電池容量達(dá)到225 Ah/kg，是目前已知的比能量最高的聚合物鋰離子電池之一。

核電池是利用放射性同位素在衰變時釋放的能量而制備的電池，在航天、航海和醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。美國于1997年10月發(fā)射到土星的Gassini號，使用的伏特效應(yīng)同位素電池的功率可達(dá)285 W[23]。鄒宇等[24]通過比較各種儲能裝置，指出放射性同位素能源電池的能量密度是當(dāng)前所有能源中最高的，Po-210放射性同位素電池的能量密度可達(dá)100 kWh/kg。

3 高超聲速飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢

高超聲速動力可以為民用航空提供長航程、快速的運(yùn)輸模式，使洲際旅行像城際旅行一樣方便快捷。應(yīng)用在軍事上，可以為超聲速/高超聲速導(dǎo)彈、高超聲速巡航飛行器提供動力，還可以作為吸氣式發(fā)射運(yùn)載器的動力，提供全部或部分可再用單級或雙極入軌發(fā)射系統(tǒng)的動力[25]。對于吸氣式發(fā)射運(yùn)載器，火箭是唯一的可以將其速度推至入軌速度的動力。NASA從20世紀(jì)90年代開始廣泛研究低速段動力的實(shí)現(xiàn)方式及兩種動力的組合，即為火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)RBCC。

高超聲速動力的另一種組合形式為基于渦輪的組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)TBCC。20世紀(jì)50年代，法國的Griffon Ⅱ飛機(jī)率先采用串聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)，驗(yàn)證了TBCC發(fā)動機(jī)的可行性。20世紀(jì)60年代初，美國對可以進(jìn)入空天的36種有潛力的火箭/吸氣式系統(tǒng)進(jìn)行比較，提出可行的三種方案：渦輪-超燃沖壓組合發(fā)動機(jī)、超燃沖壓液態(tài)空氣循環(huán)發(fā)動機(jī)和增壓引射式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)[26]，并對這三種動力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，只有渦輪-超燃沖壓組合發(fā)動機(jī)(TBCC)的研究持續(xù)下來。20世紀(jì)70～80年代，俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院(CIAM)進(jìn)行了全尺寸TBCC發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)。從1993年開始，俄羅斯CIAM研究并聯(lián)TBCC和串聯(lián)TBCC，指出并聯(lián)TBCC結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)于串聯(lián)TBCC[27]。1985年，日本航天研究局和宇航研究局開始研究吸氣式渦輪沖壓膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)ATREX，ATREX為使用預(yù)冷卻器的串聯(lián)TBCC，可在0～6馬赫數(shù)范圍工作。1999年，日本的高超聲速運(yùn)輸機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目HYPR設(shè)計的串聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)順利完成地面臺試驗(yàn)，是最早的專為高超聲速運(yùn)輸機(jī)設(shè)計并通過地面試驗(yàn)的TBCC發(fā)動機(jī)[28]。

20世紀(jì)90年代，美國SR-71飛機(jī)裝備的J58發(fā)動機(jī)是第一個形成裝備的 TBCC發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)巡航馬赫數(shù)3.2，飛行高度70 000 ft[29](1 ft=0.304 8 m)。為了讓高超聲速技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向正真的飛行環(huán)境，1995年NASA啟動了高超聲速HYPER-X項(xiàng)目，重點(diǎn)研究碳?xì)淙剂系碾p模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)。雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)的飛行范圍從馬赫數(shù)3到至少馬赫數(shù)15。X-43采用高速渦輪機(jī)和雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)7～10的巡航目標(biāo)。歐洲在研的高超聲速組合發(fā)動機(jī)項(xiàng)目LAPCAT，研發(fā)配裝氫燃料的TBCC發(fā)動機(jī)，用于飛行巡航馬赫數(shù)4～8的超遠(yuǎn)程民用運(yùn)輸飛機(jī)[30]。

從國外高超聲速TBCC動力的發(fā)展可以看出，組合發(fā)動機(jī)的巡航馬赫數(shù)不斷提高，從馬赫數(shù)3.2～6，再到馬赫數(shù)4～8，甚至馬赫數(shù)7～10，低速段的渦輪級發(fā)動機(jī)從使用預(yù)冷卻器降低發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度到直接研制使用高速渦輪機(jī)。因此，TBCC組合動力發(fā)展的大趨勢是能達(dá)到馬赫數(shù)15甚至更高的雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)和高速渦輪發(fā)動機(jī)的組合。為了減少迎風(fēng)面積、降低阻力、優(yōu)化性能，高超聲速飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、性能方面的一體化設(shè)計外，綜合能源系統(tǒng)的一體化設(shè)計是必須考慮的。采用TBCC組合發(fā)動機(jī)的高超聲速飛行器，在地面起飛并加速到一定馬赫數(shù)時，使用的是渦輪級發(fā)動機(jī)，然后模態(tài)轉(zhuǎn)換到?jīng)_壓工作，在逆模態(tài)過程中，減速降落到著陸也是由渦輪級發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作。在整個過程中，渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道和尾噴管按控制指令作動，并且不與相應(yīng)的渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)完全同步，因此，在綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)方面，需要對飛機(jī)附件、沖壓發(fā)動機(jī)和渦輪級發(fā)動機(jī)的附件進(jìn)行一體化設(shè)計。當(dāng)TBCC組合發(fā)動機(jī)由渦輪級發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)向沖壓級發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)模態(tài)轉(zhuǎn)換時，同時也就切斷了發(fā)動機(jī)對附件的功率輸入。能提供足夠功率保證飛機(jī)附件工作、發(fā)動機(jī)附件工作、進(jìn)氣道調(diào)節(jié)、尾噴管調(diào)節(jié)和發(fā)射武器作戰(zhàn)要求的第二動力為綜合能源的發(fā)展研制目標(biāo)。

4 未來技術(shù)路線

根據(jù)第二動力的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，分析認(rèn)為，并聯(lián)TBCC發(fā)動機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)沖壓發(fā)動機(jī)附件和飛機(jī)功率需求的方式有兩種。

一種是在空天高超聲速飛行器的全任務(wù)剖面內(nèi)，配置完全獨(dú)立于TBCC發(fā)動機(jī)的第二動力，工作范圍覆蓋整個飛行包線?？尚械募夹g(shù)路線是將空氣渦輪起動機(jī)與沖壓空氣渦輪整合在一起(又稱為空氣渦輪裝置)。模態(tài)轉(zhuǎn)換前，地面氣源車為空氣渦輪起動機(jī)提供壓縮空氣，以啟動渦輪級發(fā)動機(jī)；完成啟動后，關(guān)閉ATS模式，飛行速度達(dá)到一定量時，RAT啟動，與渦輪級發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸功率輸出裝置共同為飛機(jī)提供能源需求；模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，RAT獨(dú)立提供飛機(jī)全部的能源需求。

第二種技術(shù)路線為應(yīng)用多電飛機(jī)、多電發(fā)動機(jī)技術(shù)。在模態(tài)轉(zhuǎn)換前，270 V直流高壓超導(dǎo)起動發(fā)電機(jī)將渦輪級發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，滿足飛機(jī)能量需求，部分能量儲存在高功率密度的儲能裝置，模態(tài)轉(zhuǎn)換后，由儲能裝置放電，通過轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為飛機(jī)和沖壓附件的能量需求。在超導(dǎo)電機(jī)和大比能量的儲能裝置技術(shù)的發(fā)展無法滿足當(dāng)前需求時，有必要同時采用RAT技術(shù)。

空氣渦輪裝置是當(dāng)前可最快實(shí)現(xiàn)TBCC組合發(fā)動機(jī)綜合能源系統(tǒng)工程化的可行性技術(shù)路線，但缺點(diǎn)是重量大、增加了發(fā)動機(jī)的迎風(fēng)面積。為了減少飛機(jī)阻力，提升組合發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的性能，研發(fā)高功率密度的超導(dǎo)電動機(jī)/發(fā)電機(jī)和大比能量的電能儲能裝置成為未來綜合能源系統(tǒng)的最佳技術(shù)路線。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的第二動力形式不能同時滿足TBCC組合發(fā)動機(jī)飛行高度、飛行馬赫數(shù)和提取功率的需求。依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，未來短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的TBCC綜合能源形式是空氣渦輪裝置，但需要結(jié)合高超聲速進(jìn)氣道技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。未來的超導(dǎo)起動發(fā)電機(jī)和燃料電池、聚合物鋰離子電池及核電池等大比能量的儲能裝置可以實(shí)現(xiàn)兆瓦級的能量輸出，該技術(shù)路線的功率輸出不受TBCC組合發(fā)動機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換和飛行條件的影響，綜合性能優(yōu)于空氣渦輪裝置，但由于目前很多技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，短期內(nèi)無法工程化應(yīng)用。