高超聲速飛行器及推進系統(tǒng)研究進展

齊偉呈，程思野，李 堃

（中國航空研究院，北京 100012）

飛行器的速度和高度一直是歷代戰(zhàn)機研制和發(fā)展所看重的關(guān)鍵性指標[1]。從冷戰(zhàn)時期美國的SR-71帶給世人的沖擊（如圖1所示），到目前世界僅存的“雙三”戰(zhàn)機（米格-31，如圖2所示），這些飛行器都在證明著一個發(fā)展趨勢：飛行器飛得越快、越高才能真正把握戰(zhàn)爭主動權(quán)，立于不敗之地。高超飛行領(lǐng)域正突破著一項又一項關(guān)鍵技術(shù)，取得了令人矚目的研究成果。以美國、俄羅斯為首的航空軍事強國都在馬不停蹄地推動著自己高超聲速飛行領(lǐng)域的研制進度，加快試制、試驗各自的高超聲速裝備，建立對超遠目標的快速有效打擊能力。

圖2 米格-31高速截擊機

高超聲速通常是飛行高度低于90 km、馬赫數(shù)不小于5、采用吸氣式發(fā)動機作為動力、具備長航程飛行能力的一項技術(shù)。該技術(shù)的不斷發(fā)展將有效加快高超聲速飛機、導彈等新型裝備的誕生，具有重大的軍事和經(jīng)濟效益，因此該技術(shù)成為美國、俄羅斯等主要大國爭相開展的前沿研究。

超燃沖壓發(fā)動機被認為是當前高超聲速飛行器的最優(yōu)動力選擇，其無需攜帶氧化劑、可從大氣中直接捕獲空氣，有效增加飛行器航程；同時，也不帶有轉(zhuǎn)子類部件，大幅度降低結(jié)構(gòu)復雜度和減輕重量，提高推比性能。因此，超燃沖壓發(fā)動機已成為各國關(guān)注的核心研究技術(shù)。然而，超燃沖壓發(fā)動機只有在較高的馬赫數(shù)條件下才能實現(xiàn)起動，無法自地面起動并完成全包線范圍內(nèi)的自主飛行。因此，國內(nèi)外眾多研究人員提出將沖壓、渦輪和火箭發(fā)動機進行多種形式的組合，產(chǎn)生了TBCC，RBCC和Trijet等多種組合循環(huán)發(fā)動機的形式，從而實現(xiàn)自地面起動并完成全包線范圍內(nèi)的自主飛行。

1 國外研究進展

1.1 RTA計劃

2001年，美國國家航空航天局開展了新型渦輪加速器計劃（RTA），其發(fā)動機如圖3所示。研究方向為串聯(lián)式TBCC技術(shù)，主要關(guān)鍵技術(shù)有：飛發(fā)一體化設(shè)計、先進變循環(huán)渦輪發(fā)動機設(shè)計、超燃燃燒室設(shè)計、非對稱膨脹噴管設(shè)計、綜合熱管理和模態(tài)轉(zhuǎn)換等技術(shù)。RTA主要分為2期：第一期（RTA-1）發(fā)動機的基本構(gòu)型為雙外涵變循環(huán)發(fā)動機，采用地面試驗的方式驗證寬速域范圍內(nèi)的推進系統(tǒng)特性；在第一階段的研究基礎(chǔ)上，第二期（RTA-2）以驗證飛發(fā)一體化設(shè)計技術(shù)和TBCC發(fā)動機性能、可靠性及耐久性為目的開展研究。在2010—2011年期間，RTA-2項目在X-43B飛行器上開展了飛行試驗，驗證了其飛發(fā)一體化設(shè)計、超燃燃燒室設(shè)計和非對稱膨脹噴管設(shè)計等相關(guān)技術(shù)。

圖3 美國RTA-1發(fā)動機

1.2 FaCET計劃

2005年，F(xiàn)ALCON計劃啟動了獵鷹組合循環(huán)發(fā)動機試驗（FaCET），主要進行了發(fā)動機的一體化設(shè)計、燃燒室設(shè)計和后體/尾噴管設(shè)計等相關(guān)技術(shù)研究。本計劃共分2期：第一期主要開展了一體化前體/進氣道、雙模態(tài)沖壓燃燒室及一體化后體/尾噴管這3個主要部件的研究，并完成了部件級縮比模型地面試驗；第二期主要開展發(fā)動機的自由射流試驗驗證項目。本項目目標主要是開發(fā)、驗證使用碳氫燃料的可重復使用組合循環(huán)發(fā)動機技術(shù)，該推進系統(tǒng)是由HiSTED計劃所研究的雙模態(tài)沖壓發(fā)動機與渦噴發(fā)動機組合而成TBCC發(fā)動機。該發(fā)動機在渦噴單獨工作模式下，可使飛行器從地面靜止狀態(tài)加速至Ma=2.5；在渦噴和沖壓共同工作模式下，飛行器可以從Ma=2.5加速至Ma=3.5；在沖壓發(fā)動機單獨工作模式下，飛行器可以從Ma=3.5繼續(xù)加速至Ma=6.0。FALCON計劃所設(shè)計的高超聲速飛機（HTV-3X）的概念圖如圖4所示，其可以完成從普通跑道起飛加速至Ma=6.0的可重復飛行任務(wù)。

圖4 HTV-3X高超聲速飛行器

1.3 AFRE計劃

2017年美國正式開展先進全速域發(fā)動機計劃（AFRE），項目計劃采用當前成熟渦輪發(fā)動機和適當改進的沖壓發(fā)動機組合形成一款全新的TBCC發(fā)動機，并進行多種工作狀態(tài)的地面試驗，驗證TBCC發(fā)動機用于高超聲速飛行器的可行性，以確認其是否具有工程化應(yīng)用前景。AFRE計劃共分為2期：第一期包括TBCC發(fā)動機部件級仿真設(shè)計、加工試制和試驗驗證，并開展整機級研究和設(shè)計工作；第二期包括整機級裝備集成和相關(guān)試驗驗證。2017年9月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）分別與Aerojet Rockerdyne和ATK公司達成了AFRE項目合同，主要開展TBCC組合發(fā)動機的地面試驗驗證。2018年11月，DARPA再次與Aerojet Rockerdyne公司簽署項目合同，合同內(nèi)容主要為加工試制最高飛行馬赫數(shù)達到Ma=6.0以上的高超聲速飛行器。

1.4 波音公司高超飛機項目

2018年1 月，波音公司第一次公開其高超聲速飛行器，其概念方案如圖5所示，使得波音公司成為美國洛馬公司之后第二家對外公布其高超飛行器方案的美國公司。波音公司在采用吸氣式組合動力發(fā)動機的高超聲速飛行器領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)積累，X-15、X-43A、X-51和XB-70等高超聲速飛機均出自波音公司。同時，該公司于2009年已經(jīng)完成過一款高超聲速飛行器（Manta 2025）的設(shè)計。此次公開的高超聲速飛行器采用兩臺并聯(lián)式TBCC發(fā)動機，且兩臺TBCC發(fā)動機并排分布布置，飛行器與發(fā)動機實現(xiàn)了高度一體化設(shè)計，可實現(xiàn)最大馬赫數(shù)Ma=7.0以上的高速飛行。按照計劃，2020年年底波音公司應(yīng)該已經(jīng)完成了該飛行器的型號研制工作。

圖5 波音高超聲速飛機

1.5 ATRDC計劃

在TBCC組合發(fā)動機研究領(lǐng)域，俄羅斯的主要技術(shù)方向和研究成果是預(yù)冷空氣渦輪發(fā)動機（ATRDC），該發(fā)動機使用預(yù)冷器技術(shù)，利用氫燃料預(yù)冷發(fā)動機進口空氣并帶動壓氣機工作。在壓氣機進口溫度范圍為98～112 K和工作壓比為40時，此款發(fā)動機工作在Ma=0～6速域內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)2 500 s以上的比沖性能，推重比更是高達18～222。但是，此款發(fā)動機存在預(yù)冷器結(jié)構(gòu)笨重和氫燃料浪費的嚴重缺陷，預(yù)冷器重量約為整機重量的40%，因此工程應(yīng)用價值較差。

1.6 ATREX計劃

在TBCC組合動力研究領(lǐng)域，日本的起步較早且具有較為豐富的預(yù)冷技術(shù)研究儲備。在雙級入軌空天飛機的研究過程中，石川重工和日本航空宇宙技術(shù)研究所共同設(shè)計了一款帶有空氣預(yù)冷器的渦輪和沖壓組合循環(huán)發(fā)動機（ATREX），其方案如圖6所示。該發(fā)動機主要由空氣預(yù)冷器、進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管等部件組成。預(yù)冷器的冷卻劑采用氫燃料，相關(guān)研究團隊在預(yù)冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，開展了大量研究和試驗驗證工作，證明了預(yù)冷技術(shù)可以降低發(fā)動機進氣溫度，有效提高整機性能水平。但在預(yù)冷器中出現(xiàn)霜凍問題時，預(yù)冷過程的熱交換能力將下降15%～20%，該問題可采用定量噴入壓縮空氣或低溫液體實現(xiàn)一定程度上的抑制效果。JAXA在ATREX推進系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，完成了高速渦輪發(fā)動機的研制工作，在2014年2月順利完成試驗驗證。此款發(fā)動機存在著推重比性能較差、無法實現(xiàn)寬速域范圍內(nèi)的高比沖、氫燃料的使用安全等問題，但是該項目的研究成果表明空氣預(yù)冷技術(shù)在未來高速渦輪發(fā)動機研制過程中有著巨大潛力。

圖6 日本預(yù)冷高速渦輪發(fā)動機

1.7 LAPCAT計劃

2005年，歐洲各國聯(lián)合開展了長期先進推進概念和技術(shù)計劃（LAPCAT），主要分為兩階段開展工作。第一階段的主要研究目標為飛行馬赫數(shù)可達Ma=5.0、采用氫氣作為燃料的預(yù)冷發(fā)動機（如圖7所示），相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)包括：發(fā)動機預(yù)冷技術(shù)、變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)、非對稱尾噴管驗證和超燃燃燒室技術(shù)等。第一期計劃的研究驗證了變循環(huán)渦輪基組合發(fā)動機的可行性。第二期主要計劃開展高超聲速民機項目的初步方案設(shè)計等工作。

圖7 Scimitar發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

2 國內(nèi)研究進展

2.1 研究所

我國在高超聲速研究領(lǐng)域的起步較晚，在20世紀90年代中期，沈陽發(fā)動機研究所的諸惠民[2]開展了串聯(lián)式TBCC發(fā)動機基準方案的研究，主要包括一體化性能、結(jié)構(gòu)與布局設(shè)計和部件級相關(guān)設(shè)計工作。在TBCC發(fā)動機總體性能和部件級方面的研究，中國燃氣渦輪研究院等研究所的科研人員開展了較為詳細的并聯(lián)式TBCC發(fā)動機部件級研究[3]。

2.2 高校

哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學和西北工業(yè)大學等高校對并聯(lián)式TBCC發(fā)動機進行建模和仿真研究，得到了發(fā)動機全包線范圍內(nèi)的工作特性[4-6]。北京航空航天大學的陳敏等開展了串聯(lián)式TBCC發(fā)動機模態(tài)轉(zhuǎn)換過程相關(guān)研究。南京航空航天大學的張華軍等[7]開展了TBCC發(fā)動機的內(nèi)、外并聯(lián)兩種構(gòu)型的進氣道設(shè)計方法研究。西北工業(yè)大學的張建東開展了TBCC發(fā)動機進氣道初步方案設(shè)計研究。西北工業(yè)大學的王占學等[8]開展了串聯(lián)式TBCC發(fā)動機的總體性能計算、進/排氣系統(tǒng)一體化設(shè)計等方面的研究。

3 結(jié)論

隨著空戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中地位的不斷增強，高超聲速技術(shù)的重要性將更加凸顯。根據(jù)對當前世界各國在高超聲速飛行器及推進系統(tǒng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢推斷：各世界航空強國在高超聲速領(lǐng)域均已經(jīng)取得相當大的技術(shù)突破，工程化研制進展已遠遠領(lǐng)先國內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平。而當前我國高超聲速領(lǐng)域所取得的突破大多來自高校的基礎(chǔ)性研究，研究所等工程單位的工程化研究較少，高超聲速飛行器轉(zhuǎn)化為武器裝備仍任重道遠。因此，綜合我國相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和需求，未來可在以下方向開展研究。

（1）加速可重復使用高超聲速飛行器的工程化研制，重點推進水平起降飛行技術(shù)的研究，有效控制未來武器裝備的使用成本。

（2）高超聲速領(lǐng)域最核心的技術(shù)當屬推進系統(tǒng)，加大TBCC等組合動力系統(tǒng)的研究投入，加強相關(guān)工程技術(shù)攻關(guān)，突破核心技術(shù)難題。

（3）高超聲速飛行器與推進系統(tǒng)具備高度一體化的特點，應(yīng)不斷深化飛發(fā)一體化設(shè)計方針，提升高超聲速飛行器的綜合性能。