寬適應(yīng)性高超聲速空天動力技術(shù)發(fā)展分析

基于軍事及經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略需求，寬適應(yīng)性高超聲速空天飛行器的研制備受重視，而高性能動力技術(shù)是其核心。基于成熟研究基礎(chǔ)的組合動力技術(shù)發(fā)展日趨深入，依靠創(chuàng)新概念的預(yù)冷技術(shù)亦初露鋒芒，形成交互促進(jìn)的格局。寬適應(yīng)性高超聲速空天飛行器在具備高超聲速飛行能力的同時(shí)，基本能適應(yīng)目前機(jī)場起降及保障條件、能夠在自地面至臨近空間乃至地球軌道的極寬范圍內(nèi)工作，可用于高速運(yùn)輸或入軌運(yùn)載。滿足這一大跨度高性能需求的動力技術(shù)是其研制的核心，在相關(guān)研究過程中均以吸氣式高超聲速動力技術(shù)為重點(diǎn)，主要包括組合動力技術(shù)和預(yù)先冷卻技術(shù)等，未來發(fā)展戰(zhàn)略與趨勢已初現(xiàn)端倪。高超聲速飛行器凸顯動力技術(shù)核心地位寬適應(yīng)性的高超聲速空天飛行器的研制是包括動力系統(tǒng)在內(nèi)的各方面技術(shù)優(yōu)化集成的過程。其中，動力系統(tǒng)的尺寸及氣流捕獲量在飛行器中占據(jù)更大份額，飛行器與動力裝置間的耦合更為緊密，新燃料的應(yīng)用顯著影響飛行器構(gòu)型和冷卻設(shè)計(jì)，使得動力技術(shù)的重要性與牽引性更為顯著。由相關(guān)研究可以看出，寬適應(yīng)性的高性能動力技術(shù)是高超聲速空天飛行器的核心關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)空天飛行器優(yōu)越性能及良好任務(wù)適應(yīng)能力的前提。美國寬適應(yīng)性高超聲速計(jì)劃長期以來，美國十分重視圍繞寬適應(yīng)性高超聲速空天飛行器的各項(xiàng)戰(zhàn)略、前沿技術(shù)研究，開展了國家空天飛機(jī)(NASP)、高超聲速試驗(yàn)(HYPER-X)、先進(jìn)空間運(yùn)輸(ASTP)、本土兵力部署與投送(FALCON)等計(jì)劃。幾種美國高超聲速飛行器其中，NASP計(jì)劃對高超聲速空天飛行器進(jìn)行了啟發(fā)性的宏觀論證及關(guān)鍵技術(shù)研究，但因進(jìn)度及預(yù)算等問題于1995財(cái)年終止，美國國防科學(xué)委員會（DSB）的評審認(rèn)為，超燃沖壓發(fā)動機(jī)、高超聲速流場分析和控制、先進(jìn)材料和涂層等技術(shù)的成熟度較低、不確定性較大，是計(jì)劃的關(guān)鍵瓶頸。Hyper-X計(jì)劃在方案設(shè)計(jì)上大量采用成熟技術(shù)以降低飛行試驗(yàn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)關(guān)注熱防護(hù)問題和超燃沖壓發(fā)動機(jī)，驗(yàn)證機(jī)X-43A成功開展飛行試驗(yàn)，積累了大量相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。ASTP計(jì)劃著重在動力方面開展雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)，研究了采用變循環(huán)技術(shù)的新型TBCC推進(jìn)系統(tǒng)，即革新渦輪加速器（RevolutionaryTurbineAccelerator，RTA），將空天飛行器的動力選擇延伸至寬適應(yīng)性組合動力領(lǐng)域。FALCON計(jì)劃采用循序漸進(jìn)的發(fā)展策略，計(jì)劃通過系列飛行驗(yàn)證機(jī)HTV-1、HTV-2、HTV-3X的研制與驗(yàn)證，發(fā)展以先進(jìn)TBCC推進(jìn)系統(tǒng)為動力的高超聲速飛行器（HCV）所需的關(guān)鍵技術(shù)。2010年4月，HTV-2進(jìn)行了首次9min的無動力滑翔飛行試驗(yàn)，在高超聲速條件下收集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。洛克希德-馬?。羼R）公司延續(xù)FALCON計(jì)劃，發(fā)展下一代馬赫數(shù)（Ma）為6的高超聲速飛機(jī)SR-72，預(yù)期于2030年形成裝備。歐洲寬適應(yīng)性高超聲速計(jì)劃云霄塔（SKYLON）計(jì)劃由英國航天局（UKSA）、英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司（ReactionEnginesLtd.，REL）共同開展，計(jì)劃研制能夠大幅降低發(fā)射成本、簡化基礎(chǔ)設(shè)施、縮短準(zhǔn)備時(shí)間的可重復(fù)使用入軌器，采用單級入軌（SSTO）方式，同時(shí)能夠靈活機(jī)動。該計(jì)劃的核心在于其搭載的“佩刀”（SABRE）發(fā)動機(jī)。該型發(fā)動機(jī)具有火箭發(fā)動機(jī)及吸氣式預(yù)冷發(fā)動機(jī)的組合特征，具有比沖高、工作范圍寬、環(huán)境危害小等性能潛力，其突出性能賦予飛行器良好的任務(wù)適應(yīng)能力。SKYLON可重復(fù)使用入軌器長期先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)概念與技術(shù)（LAPCAT）計(jì)劃是2005年由歐盟委員會資助開展的面向未來高超聲速空天飛行器及動力技術(shù)的研究計(jì)劃，以高性能動力技術(shù)為核心，規(guī)劃未來高超聲速飛機(jī)的發(fā)展藍(lán)圖。該計(jì)劃研究了速度分別為Ma5和Ma8的兩類高超聲速飛機(jī)。對于Ma5，計(jì)劃圍繞起飛質(zhì)量、燃料消耗、環(huán)境因素等方面，選取了具備較優(yōu)潛力的Ma5“彎刀”（Scimitar）預(yù)冷發(fā)動機(jī)為動力的LAPCAT-A2方案作進(jìn)一步研究。對于Ma8，法國航空航天研究院（ONERA）提出一種基于由入軌器改型的概念設(shè)計(jì)，對機(jī)體進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，選取先進(jìn)TBCC作為動力。歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA）提出一種采用氫燃料動力的非常規(guī)布局軸對稱式的飛行器構(gòu)型設(shè)計(jì)，內(nèi)部儲存空間充足，以適應(yīng)液態(tài)氫燃料的特點(diǎn)；在動力方面，方案集成了針對氫燃料改型的GE90發(fā)動機(jī)、液體燃料火箭、雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)3個(gè)動力模塊，以覆蓋寬速域工作范圍。LAPCAT計(jì)劃內(nèi)幾種高超聲速飛行器概念圖從LAPCAT計(jì)劃可以看出，寬適應(yīng)性的高超聲速空天飛行器的設(shè)計(jì)將顯著區(qū)別于傳統(tǒng)飛行器，以適應(yīng)新型動力、新型燃料帶來的改變，動力技術(shù)對飛行器研制的牽引作用在高超聲速層面尤為突出。日本寬適應(yīng)性高超聲速計(jì)劃日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）開展了多項(xiàng)針對高超聲速飛機(jī)、可重復(fù)使用入軌器的研制計(jì)劃，均以膨脹循環(huán)空氣渦輪沖壓（ATREX）發(fā)動機(jī)為代表的高性能動力技術(shù)為其工作重點(diǎn)。JAXA先后提出兩級入軌（TSTO）的可重復(fù)使用入軌器，以及100座級、Ma4.5巡航的高超聲速飛機(jī)研制計(jì)劃，研究包含了構(gòu)型、質(zhì)量、尺寸等的概念設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是動力系統(tǒng)的論證。動力選型涉及RBCC、TBCC及ATREX發(fā)動機(jī)，研究結(jié)論肯定了以液態(tài)氫為燃料的ATREX發(fā)動機(jī)的較高性能潛力。JAXA高超聲速空天飛行器概念圖組合動力技術(shù)發(fā)展日趨深入各型傳統(tǒng)動力裝置只能在一定的工作范圍內(nèi)勝任，難以單獨(dú)滿足未來高超聲速空天飛行器在極寬飛行包線內(nèi)的性能需求，因而組合不同形式動力模塊拓展高效工作范圍成為技術(shù)及工程上的自然選擇。組合動力技術(shù)，特別是渦輪基組合動力技術(shù)，具備覆蓋極寬的工作范圍的能力，同時(shí)具有較高的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，是各國中近期項(xiàng)目的主要?jiǎng)恿x擇。由相關(guān)研究可以看出，基于相對成熟技術(shù)，逐步研究、突破、驗(yàn)證和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)型號的穩(wěn)步發(fā)展及最終裝備，是發(fā)展高超聲速空天動力技術(shù)的有效戰(zhàn)略選擇?；鸺M合動力技術(shù)火箭基組合動力（RBCC）是火箭發(fā)動機(jī)和吸氣式發(fā)動機(jī)的組合。美國在1968年對增壓引射火箭沖壓型(SERJ)RBCC驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代末，NASA聯(lián)合洛克達(dá)因（Rocketdyne）和普惠公司等在ASTP計(jì)劃內(nèi)進(jìn)一步開展RBCC的設(shè)計(jì)研制。NASA還設(shè)立吸氣式火箭綜合系統(tǒng)測試（ISTAR）計(jì)劃統(tǒng)籌RBCC的研究。JAXA在其可重復(fù)使用入軌器的研制中，結(jié)合飛行任務(wù)對RBCC進(jìn)行了評估。研究表明，RBCC發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，通過引入引射模態(tài)和沖壓模態(tài)（見表1），相較于純火箭動力，提升了較低速度范圍內(nèi)的比沖，能夠覆蓋自起飛至入軌的極寬工作范圍。在低馬赫數(shù)時(shí)，引射火箭的比沖遠(yuǎn)低于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，使其飛行器較難搭載較高的入軌載荷，這是RBCC的主要性能劣勢之一。對于SSTO入軌器，RBCC是具有較高可實(shí)現(xiàn)性的動力選擇。但在較低速度范圍內(nèi)，其性能仍遠(yuǎn)遜于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，使RBCC難以完全滿足未來寬適應(yīng)性空天飛行器較高的綜合性能需求。表1

典型RBCC工作模態(tài)渦輪基組合動力技術(shù)渦輪基組合動力（TBCC）是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)的組合，可以分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種。并聯(lián)式TBCC渦輪和沖壓模塊分別布置于各自涵道，結(jié)構(gòu)較為簡單，但存在相對較大的結(jié)構(gòu)冗余；串聯(lián)式TBCC兩動力模塊共用涵道帶來了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的改善，但存在高馬赫數(shù)下渦輪模塊熱防護(hù)等技術(shù)難點(diǎn)。表2

典型TBCC工作模態(tài)1989—1999年，日本發(fā)展了采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的TBCCHYPR90-C，重點(diǎn)研究了其高溫核心機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備和方法等，并進(jìn)行了高空模擬試驗(yàn)。蘇聯(lián)自20世紀(jì)70年代起開展了TBCC

Ma4～4.5地面試驗(yàn)及模型飛行試驗(yàn)。美國在ASTP和FALCON計(jì)劃中，圍繞推進(jìn)系統(tǒng)分別開展了RTA和“獵鷹”組合循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)（FaCET）兩項(xiàng)先進(jìn)TBCC研究計(jì)劃。RTA的研制始于2001年，基于變循環(huán)技術(shù)，拓展渦輪模塊工作速度極限。FaCET計(jì)劃始于2005年，對TBCC的進(jìn)排氣系統(tǒng)和各部件進(jìn)行了一體化地面試驗(yàn)，并著重研究模式轉(zhuǎn)換速度區(qū)間內(nèi)的性能特征。洛馬公司計(jì)劃在SR-72高超聲速飛機(jī)上搭載的并聯(lián)構(gòu)型、共用進(jìn)排氣系統(tǒng)的先進(jìn)TBCC，高性能、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及成本控制、飛行器/動力一體化優(yōu)化是計(jì)劃的重點(diǎn)。2011年，美國在高超聲速飛機(jī)發(fā)展路線圖中明確提出要使TBCC在2025年形成裝備。洛馬公司SR-72采用的TBCC系統(tǒng)研究表明，TBCC結(jié)合了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的相對成熟的技術(shù)，在性能、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及研制成本等方面體現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，美、俄等國均期望通過進(jìn)一步技術(shù)突破與優(yōu)化，早日實(shí)現(xiàn)TBCC的裝備。TBCC同時(shí)存在一定局限性：兩個(gè)動力模塊之間的部件共用性較低，存在一定的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量冗余；受限于兩模塊的優(yōu)勢工作范圍，在模式轉(zhuǎn)換過程中，存在推力難以平穩(wěn)接續(xù)、進(jìn)排氣系統(tǒng)性能惡化等技術(shù)難點(diǎn)；在較高馬赫數(shù)下，對渦扇部件的結(jié)構(gòu)熱防護(hù)提出了較高要求，發(fā)動機(jī)循環(huán)加熱量和循環(huán)功受到限制。目前，對于高超聲速飛機(jī)和TSTO入軌器的第一級，TBCC是具備較強(qiáng)性能競爭力和較高技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性的動力選擇。預(yù)先冷卻技術(shù)初露鋒芒在高馬赫數(shù)條件下，極高的空氣來流滯止溫度引起的飛行器及發(fā)動機(jī)材料、結(jié)構(gòu)、性能等問題是高超聲速空天飛行器及動力的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。預(yù)先冷卻技術(shù)通過射流、換熱等方式降低發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度，以拓展工作范圍、優(yōu)化高速性能。多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動機(jī)進(jìn)一步采用創(chuàng)新的循環(huán)設(shè)計(jì)，基于低溫燃料熱沉及高性能換熱系統(tǒng)，綜合利用及管理燃料化學(xué)能、空氣來流動能等能量來源，具備較寬的高效工作范圍和優(yōu)越的高速性能潛力。相關(guān)研究表明，將射流預(yù)冷技術(shù)應(yīng)用于TBCC，能夠拓展其渦輪模塊的有效工作范圍，改善其模式轉(zhuǎn)換過程中推力不足、性能惡化問題。多循環(huán)耦合預(yù)冷發(fā)動機(jī)的突出特征是頻繁、大量的能量傳遞與轉(zhuǎn)化；發(fā)動機(jī)內(nèi)部采用創(chuàng)新的多路并行設(shè)計(jì)的壓縮放熱系統(tǒng)，能夠大幅減小壓縮功耗和冷卻劑消耗，是保障發(fā)動機(jī)優(yōu)勢性能實(shí)現(xiàn)的核心部件。需要指出的是，預(yù)先冷卻技術(shù)雖已展現(xiàn)出突出的性能潛力，但受到自身技術(shù)成熟度及相關(guān)產(chǎn)業(yè)水平的制約，距大規(guī)模應(yīng)用尚需時(shí)日。針對發(fā)動機(jī)總體和分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、各關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)的可靠性和維修性等，仍需開展大量研究。此外，以合理的成本保障低溫燃料的安全便捷供應(yīng)（包括生產(chǎn)、儲運(yùn)、加注等環(huán)節(jié)）、廣泛建立與之適應(yīng)的機(jī)場設(shè)施等，也是預(yù)先冷卻技術(shù)大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的前提。未來寬適應(yīng)性空天動力發(fā)展趨勢與戰(zhàn)略展望從寬適應(yīng)性高超聲速空天動力技術(shù)的發(fā)展可以看出，航空航天技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合、高性能動力技術(shù)對飛行器研制的顯著牽引、高可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)與高性能潛力技術(shù)研究的交互促進(jìn)、新興技術(shù)對航空航天產(chǎn)業(yè)的跨領(lǐng)域賦能，將成為未來主要的發(fā)展趨勢與戰(zhàn)略選擇。航空航天技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的深度融合融合首先體現(xiàn)在空天界限的模糊。同型或具有較高技術(shù)通用性的不同動力裝置，將被搭載于高速運(yùn)輸、航天入軌等多種飛行器，如預(yù)冷發(fā)動機(jī)之于高超聲速飛機(jī)和SSTO入軌器、TBCC之于高超聲速飛機(jī)和TSTO入軌器第一級。這種顯著的通用性，既源于由各飛行器分解至動力系統(tǒng)的技術(shù)需求的相似性，也是其高昂研制成本導(dǎo)向的必然結(jié)果。應(yīng)用的融合須基于技術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合的支撐。例如，目前航空領(lǐng)域的變循環(huán)技術(shù)，是優(yōu)化TBCC模式轉(zhuǎn)換性能的有效途徑；低溫燃料，特別是液態(tài)氫的應(yīng)用，對提升高超聲速空天動力的性能有著重要意義，而航天領(lǐng)域已積累了燃料儲運(yùn)、保障等方面的研究基礎(chǔ)；在能量管理及熱防護(hù)方面，航空、航天在先進(jìn)高溫材料、換熱及冷卻、被動及主動熱防護(hù)等技術(shù)上各具特點(diǎn)和優(yōu)勢。航空、航天共性技術(shù)融合有助于優(yōu)化資源和力量配置，助推關(guān)鍵技術(shù)突破。目前，我國航空、航天產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)依行業(yè)區(qū)分的特點(diǎn)，在各行業(yè)內(nèi)部擁有完整的縱向技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈條，而行業(yè)間的交互與融合尚顯不足。面向未來需求，在機(jī)制層面打通行業(yè)界別，橫向優(yōu)化整合航空、航天相關(guān)共性技術(shù)的研究力量，能夠更加有效地支撐高超聲速空天動力技術(shù)的突破。高性能動力技術(shù)對飛行器研制的顯著牽引高超聲速空天動力技術(shù)，包含了循環(huán)設(shè)計(jì)、流動機(jī)理、先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)、先進(jìn)部件、熱管理、控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)，存在極密集的技術(shù)難點(diǎn)，是制約飛行器研制成敗的關(guān)鍵。高超聲速空天飛行器的研制，是多個(gè)方面技術(shù)相互影響及優(yōu)化集成的過程，從各國的研究計(jì)劃可以看出，動力系統(tǒng)和飛行器在熱防護(hù)及能量管理、材料及結(jié)構(gòu)、氣動設(shè)計(jì)等方面存在相比于一般飛行器更加緊密的耦合關(guān)系，且動力系統(tǒng)在其中扮演著核心角色。以歐洲LAPCAT計(jì)劃中的“彎刀”發(fā)動機(jī)為例，高性能動力系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能，能夠決定性地影響飛行器的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出鮮明的由被動面向飛行器需求、向動力技術(shù)主動推動轉(zhuǎn)變的特征。在該領(lǐng)域發(fā)展過程中，應(yīng)當(dāng)充分適應(yīng)這一趨勢，完善以高性能動力技術(shù)攻關(guān)為核心的研制體系，以有效保障寬適應(yīng)性空天飛行器及動力的研制工作。高可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)與高性能潛力技術(shù)研究的交互促進(jìn)寬適應(yīng)性空天動力技術(shù)是具備極強(qiáng)的牽引性和輻射性的戰(zhàn)略技術(shù)，涵蓋大量較高風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。在該領(lǐng)域開展研究，須保證其中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)度、應(yīng)用前景、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)成本、綜合效用等均有序可控。具有較高可實(shí)現(xiàn)性的技術(shù)（如組合動力）是對較為成熟技術(shù)的集成和再發(fā)展，研制進(jìn)度、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本都更加可控；在其發(fā)展和應(yīng)用過程中積累的數(shù)據(jù)、理論、工具、方法、設(shè)備及經(jīng)驗(yàn)，能夠成為更先進(jìn)技術(shù)研究的基礎(chǔ)。對于具有較高性能潛力的先進(jìn)技術(shù)（如包含大量新概念與技術(shù)的預(yù)冷發(fā)動機(jī)），其階段性研究成果能夠應(yīng)用于高可實(shí)現(xiàn)性型號的改進(jìn)升級，并在應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)自身的研究驗(yàn)證。在宏觀層面，總結(jié)反思較高可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)的發(fā)展歷程，還能夠?yàn)槠鸩捷^晚的高性能潛力技術(shù)研究的規(guī)劃及實(shí)施戰(zhàn)略形成參考與指導(dǎo)。高可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)與高性能潛力技術(shù)研究的交互促進(jìn)關(guān)系立足較為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)開展高可實(shí)現(xiàn)性技術(shù)研究，同時(shí)培育高性能潛力技術(shù)的探索創(chuàng)新，并將階段性成果在前者平臺上應(yīng)用與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)二者的交互促進(jìn)，將能有效推動寬適應(yīng)性空天動力技術(shù)的跨越發(fā)展。新興技術(shù)對航空航天產(chǎn)業(yè)的跨領(lǐng)域賦能先進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用，從某種角