美國高超聲速渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)展及分析

劉紅霞，梁春華，孫明霞

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽，110015）

美國高超聲速渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)展及分析

劉紅霞，梁春華，孫明霞

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽，110015）

旨在為未來空天動(dòng)力技術(shù)研究和產(chǎn)品研制提供參考與借鑒。綜述了美國高超聲速渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)展，重點(diǎn)對與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的預(yù)研計(jì)劃進(jìn)行詳細(xì)描述，如國家空天飛機(jī)（NASP）計(jì)劃、高速推進(jìn)評估（HiSPA）計(jì)劃、獵鷹組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)（FaCET）計(jì)劃等?？偨Y(jié)與歸納了TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的研究發(fā)展的特點(diǎn)：TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)一直是高超聲速飛行器研究的關(guān)鍵技術(shù)；目前渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的首選是現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)，未來可能選擇正在預(yù)研的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)取得明顯進(jìn)展，但還需長期深入驗(yàn)證。

高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)；渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)；組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

高速偵察機(jī)、高速轟炸機(jī)、空天飛機(jī)等高速飛行器，具有航程遠(yuǎn)、速度快、性能高等特點(diǎn)，對未來的作戰(zhàn)方式必將產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響，很可能給未來戰(zhàn)爭帶來重大變革。作為其動(dòng)力的最重要選擇之一，TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)被西方國家，特別是美國列為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，不惜投入巨資加以扶持，集中高科技人才進(jìn)行大力研發(fā)，已經(jīng)取得明顯進(jìn)展。

據(jù)《航空周刊》網(wǎng)站2016年6月30日報(bào)道[1]，鑒于在建模和制造方面取得的進(jìn)展，美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃管理局（DARPA）已經(jīng)啟動(dòng)AFRE驗(yàn)證計(jì)劃，將再次嘗試對TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma 0～5.0內(nèi)的工作進(jìn)行驗(yàn)證，為未來吸氣式可重復(fù)使用高超聲速飛行器提供動(dòng)力，這標(biāo)志著美國高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)又將向前邁進(jìn)一步。

本文回顧和總結(jié)了美國典型高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃取得的進(jìn)步和經(jīng)歷的彎路，以供相關(guān)研究借鑒和參考。

1 美國高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程

在20世紀(jì)50年代，美國就開始進(jìn)行TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究工作，此期間研制了第1種高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)即J58發(fā)動(dòng)機(jī)，是首個(gè)走完設(shè)計(jì)、生產(chǎn)直至飛行使用全過程的渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)，其成功研制為美國后續(xù)高超聲速推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自從20世紀(jì)80年代以來，美國國防部和航空航天局（NASA）實(shí)施了與高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的多項(xiàng)研究計(jì)劃如圖1所示，從不同方面對高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。

NASA劉易斯研究中心高超聲速/跨聲速大氣飛行器（TAV）推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)研究計(jì)劃包括3個(gè)子計(jì)劃：NASP計(jì)劃、HiMaTE部件技術(shù)計(jì)劃和通用高超聲速計(jì)劃[3-5]，這些計(jì)劃的實(shí)施對推動(dòng)美國高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，但因年代久遠(yuǎn)，且有不少關(guān)于他們的論述文章，因此，對這3項(xiàng)計(jì)劃不做闡述。

1.1 RTA計(jì)劃[6-7]

在20世紀(jì)90年代中期，美國總結(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國家空天飛機(jī)最終放棄或中途夭折的教訓(xùn)，從1996年開始，對高超聲速導(dǎo)彈、高超聲速飛行器和空天飛行器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了調(diào)整，確立了以巡航導(dǎo)彈為突破口、而后轉(zhuǎn)入其他飛行器與天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的分階段逐步發(fā)展的思路。作為先進(jìn)航天運(yùn)輸計(jì)劃（ASTP）的一部分，NASA于2001年由集成技術(shù)研制小組（ITD）提出RTA計(jì)劃。RTA將搭起超聲速飛行器動(dòng)力在Ma3.0到Ma5.0之間的橋梁，如圖2所示。在RTA計(jì)劃下TBCC的技術(shù)發(fā)展路線如圖3所示。

RTA計(jì)劃的技術(shù)目標(biāo)是在當(dāng)時(shí)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（J58）的基礎(chǔ)上，充分利用 ASTP、UEET、VAATE 計(jì)劃開發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)成果，開發(fā)和驗(yàn)證TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，到2010年，使其飛行速度提高25%、推重比提高250%、部件壽命延長2倍；到2015年，使其飛行速度提高35%、推重比提高375%、關(guān)鍵部件壽命延長4倍；最終，使發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比將達(dá)到15～20、飛行速度達(dá)到Ma 4.0～5.0。

GEAE公司基于前期在HiSPA和HiMaTE計(jì)劃中的研究成果，選擇雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。RTA-1發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)就是以F120變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。

通過對RTA-1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)：（1）驗(yàn)證了采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作至Ma 3.0，然后再轉(zhuǎn)入沖壓模式工作至Ma 4.5的可行性；（2）驗(yàn)證了高馬赫飛行時(shí)，渦輪和控制系統(tǒng)的可靠性、耐久性及使用JP-8燃料的可行性。

在2005年，由于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)等多方面的原因，RTA計(jì)劃被迫結(jié)束，但其設(shè)計(jì)理念仍對目前的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展帶來了很大影響，美國及歐洲國家仍在對這個(gè)設(shè)計(jì)概念和方案進(jìn)行研究。

1.2 FaCET計(jì)劃

在2001年，美國提出了國家航空航天倡議，重申了以高超聲速巡航導(dǎo)彈為“敲門磚”的發(fā)展戰(zhàn)略。在2002年，NASA終止了X-飛行器研究計(jì)劃，將太空發(fā)射（SLI）研究計(jì)劃重構(gòu)作為下一代發(fā)射技術(shù)（NGLT）和軌道航天飛機(jī)（OSP）研究計(jì)劃，重點(diǎn)開發(fā)與驗(yàn)證遠(yuǎn)景所需的系統(tǒng)和技術(shù)。在2004年1月，美國總統(tǒng)布什宣布了新的太空探索倡議。在這樣的背景下，DARPA于2005年在從美國本土運(yùn)送和應(yīng)用兵力計(jì)劃（FALCON）下開始實(shí)施FaCET計(jì)劃。主承包商是洛克希德·馬丁公司（提供進(jìn)氣道和噴管），推進(jìn)系統(tǒng)承包商是PW公司的洛克達(dá)因公司（負(fù)責(zé)研制PW9221雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室）。

FaCET計(jì)劃的目標(biāo)是開發(fā)和驗(yàn)證可重復(fù)使用的、碳?xì)淙剂系?、Ma 3.0～6.0的亞燃/超燃沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低研制獵鷹高超聲速巡航飛行器（HCV）發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[8]。

FaCET計(jì)劃的第1階段：通過30%縮比進(jìn)氣道試驗(yàn)，驗(yàn)證了其質(zhì)量和壓力恢復(fù)能力，也在寬廣的速度范圍下驗(yàn)證了維持可操作性的可調(diào)結(jié)構(gòu)件的規(guī)律；通過40%縮比沖壓/超燃沖壓燃燒室的直連試驗(yàn)，驗(yàn)證了在低馬赫數(shù)狀態(tài)時(shí)從渦噴工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的燃燒穩(wěn)定性；通過噴管冷流靜態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了總的推進(jìn)效率。

FaCET計(jì)劃的第2階段：在縮比70%流路，在Ma 3.0、4.0和6.0的速度下，對由進(jìn)氣道、燃燒室和改進(jìn)噴管集成的渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行自由射流試驗(yàn)。該試驗(yàn)驗(yàn)證了飛行Ma 3.0～6.0的亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性[8]。自由射流試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)臺(tái)架安裝如圖4所示。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測性能與計(jì)算性能相吻合。這些試驗(yàn)為下一步的MoTr計(jì)劃打下了較好的基礎(chǔ)[9]。

1.3 HiSTED計(jì)劃

高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證（HiSTED）計(jì)劃是DARPA和美國空軍在VAATE計(jì)劃下聯(lián)合實(shí)施的1項(xiàng)研究計(jì)劃，其目的是設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證1種高速（Ma 3.0～4.0）、短壽命渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是1種高溫、中等壓比的單轉(zhuǎn)子不帶加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，將為多種平臺(tái)提供低成本，Ma 4.0+飛行的推進(jìn)能力，使其到達(dá)目標(biāo)時(shí)間縮短80%，并可靈活地執(zhí)行超聲速巡航/亞聲速待機(jī)任務(wù)。

HiSTED計(jì)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)由美國空軍/DARPA投資，由RR北美技術(shù)公司（負(fù)責(zé)YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)）和Williams公司（負(fù)責(zé)XTE88/SL1發(fā)動(dòng)機(jī)）合作開發(fā)和驗(yàn)證。YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)是在J58發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，采用層板技術(shù)發(fā)展而來的1種高溫、中等壓比、單轉(zhuǎn)子無加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其單位推力、質(zhì)量、直徑和長度分別為J58發(fā)動(dòng)機(jī)的6倍、6%、25%和20%。其小型沖壓燃燒室于2008年在美國空軍推進(jìn)試驗(yàn)室開始試驗(yàn)（如圖5所示），在2009年1月成功完成了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：帶火焰穩(wěn)定器的發(fā)動(dòng)機(jī)能使用JP8+100和JP10燃料起動(dòng)和連續(xù)工作，在整個(gè)包線內(nèi)獲得的性能數(shù)據(jù)超過了全包線的設(shè)計(jì)值[10]；無火焰穩(wěn)定器的發(fā)動(dòng)機(jī)使用JP8+100和JP10燃料，能夠在只有自動(dòng)點(diǎn)火的情況下成功地起動(dòng)和工作[11-12]。

在FaCET計(jì)劃下驗(yàn)證的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（X43、X51計(jì)劃驗(yàn)證）組合動(dòng)力技術(shù)、HiSTED計(jì)劃下驗(yàn)證的高速渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，最終都應(yīng)用在SR-72（如圖6所示）動(dòng)力系統(tǒng)上。

1.4 FAP計(jì)劃

在2006年12月，美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了“國家航空研究和開發(fā)政策”文件，指出美國聯(lián)邦航空研究和研制工作的重點(diǎn)之一是開展穩(wěn)定的和長期的基礎(chǔ)領(lǐng)域研究；在2009年，美國國家研究院發(fā)布了“民用航空的十年調(diào)查－未來的基礎(chǔ)研究”，描繪了技術(shù)性更強(qiáng)的航空藍(lán)圖。這些指導(dǎo)性文件指出了基線航空發(fā)展原則。在這樣的背景下，NASA實(shí)施了FAP計(jì)劃，開始了基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，以使未來飛行器具有更寬廣的速度范圍[13]。

在2009年之后，NASA在FAP計(jì)劃下開展了高可靠性、可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng)（HRRLS）的研究工作。在HRRLS研究中，考慮了將吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)概念應(yīng)用于進(jìn)入太空的可重復(fù)使用的吸氣式發(fā)射飛行器（RALV）中。RALV概念飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)分2級：第1級是采用渦輪基沖壓/超燃沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；第2級是采用火箭或火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。RALV系統(tǒng)的TBCC繼承了RTA發(fā)動(dòng)機(jī)的研究成果，其主要由前體壓縮翼面、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、雙模態(tài)超燃沖壓（DMSJ）燃燒室、DMSJ進(jìn)氣道、DMSJ分流器、后部噴管系統(tǒng)等構(gòu)成[14]。

FAP計(jì)劃的目標(biāo)是：在2014年開展小尺寸、帶進(jìn)氣道的并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)（CCE IMX），以篩選進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能；在2015年開展大尺寸、帶進(jìn)氣道的并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)（CCE LIMX）。

NASA格林研究中心在其1×1超聲速風(fēng)洞（SWT）上進(jìn)行了一系列小尺寸IMX試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：低速通道的整流斜板不會(huì)給高速通道的操縱帶來困難，通過與計(jì)算結(jié)果的對比表明，CFD方法對此類雙流道結(jié)構(gòu)有較好的模擬能力。試驗(yàn)也獲得了不同流道設(shè)計(jì)方案的性能及工作裕度，為改進(jìn)流道設(shè)計(jì)提供了支持[15]。

在小尺寸IMX試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展了LIMX試驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并獲得過程特性和相關(guān)限制條件，同時(shí)完成控制系統(tǒng)可行性和硬件系統(tǒng)驗(yàn)證，以確定TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。LIMX試驗(yàn)計(jì)劃在3年內(nèi)分4個(gè)階段在格林中心的10×10超聲速風(fēng)洞中完成，目前，前2個(gè)階段的工作已經(jīng)完成，第3階段已對控制模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流道自動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的算法進(jìn)行了驗(yàn)證；第4階段的驗(yàn)證工作目前正在準(zhǔn)備之中，在新的高超聲速計(jì)劃的資助下，將采用WJ38發(fā)動(dòng)機(jī)和具有集成噴管的1個(gè)雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，評估推進(jìn)系統(tǒng)模態(tài)轉(zhuǎn)換算法的有效性[15]。

1.5 模態(tài)轉(zhuǎn)換（MoTr）驗(yàn)證計(jì)劃

在FaCET和FAP計(jì)劃的基礎(chǔ)上，在2009年，DARPA投資實(shí)施了模態(tài)轉(zhuǎn)換（MoTr）驗(yàn)證計(jì)劃，目的是開展飛行Ma 0～6.0、碳?xì)淙剂系奈鼩馐酵七M(jìn)系統(tǒng)地面驗(yàn)證。

MoTr計(jì)劃由洛克希德·馬丁公司（共用進(jìn)口和噴管）領(lǐng)軍，推進(jìn)系統(tǒng)分包商是PW的洛克達(dá)因公司（沖壓/超燃沖壓燃燒室）和ATK公司（試車臺(tái)評估）。

MoTr計(jì)劃分為2個(gè)階段。第1階段是完成試車臺(tái)測量，以選擇試車臺(tái)和執(zhí)行地面驗(yàn)證所需的試驗(yàn)技術(shù)；也要完成MoTr試驗(yàn)件的方案設(shè)計(jì)，使之與所選擇的試驗(yàn)技術(shù)和試車臺(tái)相匹配；第2階段是完成MoTr試驗(yàn)件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)并加工，通過必要的改進(jìn)使試車臺(tái)升級，并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

MoTr計(jì)劃中的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，整合了通過FaCET計(jì)劃驗(yàn)證的進(jìn)氣道、雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和噴管，以及HiSTED計(jì)劃研制的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，在地面條件下進(jìn)行由渦輪-亞燃沖壓-超燃沖壓和超燃-亞燃-渦輪的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程試驗(yàn)。這是完成重復(fù)使用、吸氣式高超聲速飛行所需的關(guān)鍵試驗(yàn)。

在2010年，洛克達(dá)因公司和洛馬公司都完成了主動(dòng)冷卻雙模態(tài)沖壓燃燒室的初始方案設(shè)計(jì)。洛克達(dá)因公司確定了模態(tài)轉(zhuǎn)換驗(yàn)證時(shí)對試驗(yàn)設(shè)備的需求，并認(rèn)為NASA格林研究中心推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)室的連續(xù)流超聲速風(fēng)洞適合于集成系統(tǒng)的試驗(yàn)。MoTr計(jì)劃試驗(yàn)臺(tái)和帶高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的MoTr TBCC流路如圖7所示。地面試驗(yàn)原計(jì)劃于2012年第1季度完成，但目前并未看到公開發(fā)表的結(jié)果[16]。

1.6 STELR計(jì)劃

STELR計(jì)劃是HiSTED計(jì)劃的后續(xù)計(jì)劃，旨在研制Ma 3以上的武器和飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)，其中包括遠(yuǎn)程離岸導(dǎo)彈、空中發(fā)射巡航導(dǎo)彈、無人飛行器和能以最大馬赫數(shù)飛行1 h的先進(jìn)巡航導(dǎo)彈等。在2011年12月簽訂合同，預(yù)計(jì)驗(yàn)證工作分為2個(gè)階段，總計(jì)34個(gè)月完成。第1階段是評估現(xiàn)有的或新設(shè)計(jì)的硬件是否達(dá)到要求。第2階段是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性、操作性和性能。在該計(jì)劃下，高速發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)由RR公司的自由工廠和威廉姆斯國際分別進(jìn)行。

在2015年9月，自由工廠對外公布，STELR發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)以Ma 2～2.5運(yùn)行了2個(gè)多小時(shí)，在接下來的幾個(gè)月時(shí)間里會(huì)達(dá)到Ma 3.2。盡管RR公司從HiSTED計(jì)劃為RATTLRS（時(shí)敏目標(biāo)遠(yuǎn)程打擊）項(xiàng)目研發(fā)的YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)上吸取了不少經(jīng)驗(yàn)，并應(yīng)用到STELR計(jì)劃研制的發(fā)動(dòng)機(jī)上，但還是強(qiáng)調(diào)“這并不是相同的發(fā)動(dòng)機(jī)”。STELR計(jì)劃研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)馬赫數(shù)要低于YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)，但耐久性更好。STELR發(fā)動(dòng)機(jī)可以持續(xù)以Ma 2～3.2的速度運(yùn)行，最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是希望該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以Ma 3.2速度飛行1 h，或是航程超過3200 km。STELR發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸與YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)的相似，同樣也沒有加力燃燒室，但超聲速的航程更遠(yuǎn)。由于在Ma 3.2時(shí)，STELR發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度達(dá)到699 K，所以對材料的要求很高。雖然STELR計(jì)劃的初衷是設(shè)計(jì)用于一次性高超聲速巡航導(dǎo)彈用的發(fā)動(dòng)機(jī)，但在研究過程中挖掘出了將一次性技術(shù)轉(zhuǎn)換為多次可重復(fù)使用的技術(shù)，由此，STELR計(jì)劃開展了進(jìn)一步驗(yàn)證，以使這種高速發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性更強(qiáng)，使其適用于可重復(fù)使用飛行器。

作為SR-72高超聲速飛機(jī)的備選發(fā)動(dòng)機(jī)之一，STELR計(jì)劃旨在探索近期可實(shí)現(xiàn)的、能夠工程應(yīng)用的TBCC，重點(diǎn)在于論證“近期可實(shí)現(xiàn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”和可以在較低馬赫數(shù)下點(diǎn)火的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成的TBCC設(shè)計(jì)方案的可行性。美國空軍希望通過STELR計(jì)劃開發(fā)的技術(shù)，解決渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)存在的推力突變問題，搭起亞聲速和超聲速推進(jìn)動(dòng)力模塊之間的橋梁。STELR研發(fā)的技術(shù)除了能夠應(yīng)用在超聲速導(dǎo)彈的動(dòng)力上外，還為高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)研制帶來了希望。

1.7 AFRE計(jì)劃

據(jù)《航空周刊》網(wǎng)站在2016年6月30日報(bào)道，鑒于在建模和制造方面取得的進(jìn)展，美國國防部DARPA已經(jīng)投資實(shí)施AFRE計(jì)劃。AFRE計(jì)劃是美國國防部實(shí)施的FaCET計(jì)劃、HiSTED計(jì)劃、STELR計(jì)劃、MoTr計(jì)劃的繼承和發(fā)展，并借鑒了RTA計(jì)劃、FAP計(jì)劃等的成果。

該計(jì)劃將研發(fā)1款能夠靈活提供從低速到高超聲速所需動(dòng)力的全速域航空動(dòng)力系統(tǒng)，將再次嘗試對TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma 0～5.0下進(jìn)行驗(yàn)證，擬為未來吸氣式可重復(fù)使用高超聲速飛行器提供動(dòng)力，AFRE發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。DARPA的1份聲明寫道：這套在高超聲速運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以為遠(yuǎn)程軍事行動(dòng)提供更短的反應(yīng)時(shí)間和更高的運(yùn)行效率，能夠?yàn)槊绹鴰砜捎^的回報(bào)。這標(biāo)志著美國高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展又將向前邁進(jìn)一步。

AFRE計(jì)劃是模態(tài)轉(zhuǎn)換（MoTr）計(jì)劃的持續(xù)計(jì)劃。MoTr計(jì)劃是驗(yàn)證采用渦噴模式在轉(zhuǎn)換到?jīng)_壓/超聲速?zèng)_壓之前，達(dá)到Ma 3.0～4.0；而AFRE計(jì)劃是直接采用目前能夠達(dá)到Ma 2.5的發(fā)動(dòng)機(jī)。AFRE計(jì)劃的目標(biāo)是解決常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma 2.5時(shí)仍然能夠正常工作及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma＜3.5時(shí)不能有效工作的問題。

DARPA的AFRE計(jì)劃的現(xiàn)成發(fā)動(dòng)機(jī)，可能包括：RR公司在STELR下的YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)，其在Ma 2.5～3.2下進(jìn)行了試驗(yàn)；威廉姆斯國際公司的WJ38-15發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)；洛克希德·馬丁公司SR-72高超聲速偵察/攻擊機(jī)的TBCC推進(jìn)系統(tǒng)，其正在生產(chǎn)1個(gè)可控的、低阻力的、在氣動(dòng)結(jié)構(gòu)上能從亞音速、跨音速、超音速到高超音速，在Ma 6.0時(shí)仍然穩(wěn)定工作的發(fā)動(dòng)機(jī)。

該計(jì)劃分為2個(gè)階段：第1階段將包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮比和大尺寸部件驗(yàn)證；第2階段為進(jìn)行全尺寸集成低速和高速流道的大尺寸直連或自由射流地面試驗(yàn)。潛在競標(biāo)者于2016年7月13～14日在華盛頓針對該項(xiàng)目作簡要匯報(bào),DARPA將于2017年財(cái)年開始投資900萬美元資金，進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)的初步設(shè)計(jì)、制造和大尺寸雙模態(tài)進(jìn)氣道和直連燃燒室試驗(yàn)件試驗(yàn)。

2 美國高超聲速渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)

美國TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃的發(fā)展路線如

圖9所示。回顧美國TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究與發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)。

2.1 TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)始終是高超聲速飛行器研究的關(guān)鍵技術(shù)

自20世紀(jì)80年代中期以來，美國一直大力開展TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。

在1986～1995年，在美國空軍投資的HiSPA計(jì)劃和NASA投資的HiMaTE計(jì)劃下，GEAE公司對Ma 4.0～6.0的發(fā)動(dòng)機(jī)方案、燃料類型和熱管理系統(tǒng)等進(jìn)行了大量且廣泛的研究,研究結(jié)果表明，渦扇基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比發(fā)展?jié)摿ψ畲骩17]。

在21世紀(jì)初，美國NASA實(shí)施RTA計(jì)劃，發(fā)展飛行速度至少可達(dá)到Ma 4.0，并且維修性和操作性大大改善的渦輪加速器。之后，美國DOD和NASA又繼續(xù)實(shí)施FaCET、MoTr、FAP和AFRE等計(jì)劃，不斷地研究和驗(yàn)證渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合循環(huán)過渡、發(fā)動(dòng)機(jī)/飛行器系統(tǒng)熱管理、高溫/輕質(zhì)材料、流動(dòng)/燃燒的數(shù)值仿真以及設(shè)計(jì)敏感性、控制和燃料系統(tǒng)的小型化等關(guān)鍵技術(shù)，以突破吸氣式高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展所面臨著一些挑戰(zhàn)。這些計(jì)劃的實(shí)施充分說明了TBCC對于高超聲速飛行器的重要作用。

2.2 現(xiàn)成發(fā)動(dòng)機(jī)是目前首選，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)可能是未來方向

對于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與驗(yàn)證更多的還是在IHPTET和VAATE等計(jì)劃下進(jìn)行。美國TBCC渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展路線如圖10所示。對于TBCC/RTA計(jì)劃的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，最初選擇的是F120發(fā)動(dòng)機(jī)，原計(jì)劃最終采用VAATE計(jì)劃驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)（但計(jì)劃因故取消）；對于SR-72偵察/打擊飛機(jī)TBCC的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，可能初步選擇F100/F110改發(fā)動(dòng)機(jī)，最終可能選擇HiSTED計(jì)劃驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)。對于FaCET、MoTr計(jì)劃TBCC的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇HiSTED計(jì)劃驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)；而AFRE計(jì)劃的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇現(xiàn)成的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括HiSTED計(jì)劃驗(yàn)證的YJ102R高速渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和XTE88高速小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，以及基于現(xiàn)役成熟的F100/F110發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展型發(fā)動(dòng)機(jī)。

作為目前最有應(yīng)用前景的前沿技術(shù)之一，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一直得到美國政府和工業(yè)界的高度重視，自VAATE計(jì)劃初級階段就開始了對其的研究和驗(yàn)證，已證明自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有包線內(nèi)綜合性能好、耗油率低且使飛機(jī)航程長、飛/發(fā)組合性能好、隱身性能好及有利于熱管理設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，這些技術(shù)特點(diǎn)也是未來高超聲速空天飛機(jī)動(dòng)力所需要的。

因此，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)方面，現(xiàn)成發(fā)動(dòng)機(jī)是目前首選，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)可能是未來方向。

2.3 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)還需長期深入驗(yàn)證

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)概念于20世紀(jì)50年代中期提出。從1960～1975年，以美國空天飛機(jī)研究計(jì)劃和高超聲速試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)（HRE）研究計(jì)劃為代表，開展原理探索與驗(yàn)證研究。美國空軍研究試驗(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的階梯式開發(fā)途徑：在1980～2010年，研發(fā)配裝沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速導(dǎo)彈；在2010～2015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)；在2015～2020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)；在2020～2030年，研發(fā)配裝大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可操作的太空進(jìn)入飛行器如圖10所示。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)在點(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)取得了一些突破，但是進(jìn)氣道匹配、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與模態(tài)轉(zhuǎn)換等一些重要關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證還不夠充分。以氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的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 7.0，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)力的X-51A計(jì)劃進(jìn)行4次飛行試驗(yàn)：第1次在Ma 5.0左右工作了140 s取得部分成功，第2、第3次失敗，第4次于2013年5月1日成功完成，實(shí)現(xiàn)了以吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的Ma 5.0持續(xù)高超聲速飛行目標(biāo)。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，美國的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)尚未成熟，還需深入的長期驗(yàn)證[18]。

2.4 模態(tài)轉(zhuǎn)換可能一直是研究重點(diǎn)

模態(tài)轉(zhuǎn)換自NASP計(jì)劃以來一直是TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

美國在RTA計(jì)劃下就將驗(yàn)證高速與低速推進(jìn)系統(tǒng)一體化、模態(tài)轉(zhuǎn)換和解決與推進(jìn)/機(jī)體一體化有關(guān)的關(guān)鍵問題列為核心研究內(nèi)容。在此后的FaCET、MoTr和AFRE等計(jì)劃下，仍然將TBCC研究重心放在模態(tài)轉(zhuǎn)換研究方面。

在FaCET計(jì)劃下，在對進(jìn)氣道、燃燒室和噴管分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證后，開展上述部件的集成，在沒有真實(shí)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下通過模擬渦輪流道完成了自由射流試驗(yàn)，驗(yàn)證了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化。

在MoTr計(jì)劃下，將洛克希德·馬丁公司在FaCET計(jì)劃驗(yàn)證的進(jìn)氣道和噴管、HISTED計(jì)劃研制的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、PW洛克達(dá)因公司的PW9221雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室集成為完整的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，以演示驗(yàn)證從渦噴到亞燃沖壓再到超燃沖壓工作模式，實(shí)現(xiàn)Ma 0～6.0范圍的模態(tài)轉(zhuǎn)換，但在按照計(jì)劃于2012年進(jìn)行地面試驗(yàn)之前，此項(xiàng)目就被終止了。

在將要實(shí)施的AFRE計(jì)劃下，試圖基于現(xiàn)有成熟的貨架渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，完成全速域TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)地面模態(tài)轉(zhuǎn)換演示驗(yàn)證，解決常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在Ma 2.5時(shí)仍然正常工作及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma＜3.5時(shí)不能有效工作的問題，驗(yàn)證和確立未來吸氣式可重復(fù)使用高超聲速飛行器TBCC推進(jìn)系統(tǒng)的可行性。

3 結(jié)束語

回顧近70年的美國高超聲速TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史發(fā)現(xiàn)，以NASA、國防部和美國空軍為主導(dǎo)，實(shí)施了大量的先進(jìn)預(yù)研計(jì)劃，無論是在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方面，還是在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換方面，都已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。但是，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)還存在巨大挑戰(zhàn)，目前還更多采用現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)型進(jìn)行TBCC的驗(yàn)證；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也還需要進(jìn)行深入驗(yàn)證?？傊?，TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)既是現(xiàn)在也是未來的高超聲速飛行器動(dòng)力，但是近期內(nèi)還不太可能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。

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Progress and Analysis of U.S.Supersonic Turbine Based Combined Cycle Engine

LIU Hong-xia,LIANG Chun-hua,SUN Ming-xia
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aim to provide references for future aerospace power technology investigation and product development,the progress of Trbine Based Combined Cycle engine （TBCC） and advanced programs on turbine engine for TBCC were overviewed and analyzed.These programs include the National Aerospace Plane （NASP）,High-Speed Propulsion Assessment （HiSPA）,Falcon Combined Cycle Engine Technology（FaCET）,etc.The analysis results show that TBCC is always key technology for supersonic flight vehicle,the in-service turbine engine is preferred for TBCC at present,high speed turbine engine and adaptive cycle engine will be selected for TBCC in future,ramjet for TBCC and mode transition between turbine engine and ramjet need to be researched deeply.

supersonic propulsion system;TBCC;combined ramjet engine;aeroengine

V236

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.017

2017-03-18 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

劉紅霞（1976），女，高級工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)情報(bào)研究工作；Email:applecenter@163.com。

劉紅霞，梁春華，孫明霞.美國高超聲速渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)展及分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（4）：96-102.LIU Hongxia,LIANG Chunhua,SUNMingxia.Progress and analysis ofU.S.supersonic Turbine Based Combined Cycle engine[J].Aeroengine，2017，43（4）：96-102.