超燃沖壓發動機技術發展現狀及相關建議

發布時間：2019-04-17所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 高超聲速飛行器技術的發展是人類繼發明飛機、突破聲障、進入太空之后又一個劃時代的里程碑,而以超燃沖壓發動機為代表的高性能推進技術則是實現高超聲速飛行的核心關鍵技術之一。因此，美國等航空航天強國正加緊布局，積極開展相關技術研發。本文對世界各主要

　　高超聲速飛行器技術的發展是人類繼發明飛機、突破聲障、進入太空之后又一個劃時代的里程碑,而以超燃沖壓發動機為代表的高性能推進技術則是實現高超聲速飛行的核心關鍵技術之一。因此，美國等航空航天強國正加緊布局，積極開展相關技術研發。本文對世界各主要國家超燃沖壓發動機技術的研究發展現狀進行了梳理分析，并基于我國研究現狀提出了進一步的發展建議。

　　一、關于超燃沖壓發動機

　　超聲速燃燒沖壓發動機(簡稱超燃沖壓發動機)被認為是目前實現飛行器在大氣層內高超聲速飛行的最佳動力裝置，由于其良好的經濟性與結構簡單性，已經成為21世紀航空航天領域研究的重點之一。超燃沖壓發動機由進氣道、燃燒室和尾噴管3大部件組成，其中進氣道通過收縮壁面將高超聲速空氣減速增壓到適合燃燒的狀態，然后氣流與燃料在燃燒室內混合燃燒釋熱，轉變成高溫高壓氣體后通過尾噴管膨脹產生推力。

　　當飛行速度超過5倍聲速時，受材料耐溫極限的限制，進氣道不能將高超聲速來流壓縮到適合燃燒的亞聲速，且空氣會開始離解。如果此時進入燃燒室的氣流為超聲速，這些弊端就能得以化解，于是超聲速燃燒沖壓發動機應運而生(俞剛、范學軍，2013)。

　　超燃沖壓發動機只需攜帶燃料，氧氣可從大氣中吸取，其幾何形狀簡單，沒有任何轉動部件，具有渦輪噴氣發動機和火箭發動機不具備的性能優點，有可能開發成為飛得更高、更快的高超聲速飛行器，未來還有可能發展成為更加便捷、安全和低成本的天地往返運輸系統(俞剛、范學軍，2013)。

　　二、各主要國家超燃沖壓發動機研究情況

　　1.美國

　　美國作為目前超燃沖壓發動機研究最為領先的國家，其牽頭超燃沖壓發動機及其組合動力科研的政府機構主要包括：美國空軍研究實驗室(AFRL)、美國海軍、國防預先研究計劃局(DARPA)和美國航空航天國家總署(NASA)(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。美國在超燃沖壓發動機領域保持穩定的投資，以持續推動小型和中大型超燃沖壓發動機的科研活動。

　　小型超燃沖壓發動機目前處于先期技術開發階段，研發重點是開發并演示驗證碳氫燃料超燃沖壓發動機。針對戰術任務子系統，2016—2017年，美國制定了相關研究計劃，包括超燃沖壓發動機起動系統、燃料系統以及發動機控制系統。最近即將啟動具有工程轉化目標的超燃沖壓發動機制造項目，該項目可應用于高超聲速吸氣式武器方案(HAWC)(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。

　　中大型超燃沖壓發動機的研發則主要面向應用研究階段，該階段位于基礎研究和先期技術開發階段之間。研發的重點主要是開發組合/先進循環吸氣式高速(到馬赫數5)和高超聲速(馬赫數5～7)推進技術，以支持未來高速/高超聲速武器和飛機的應用。目前研究處于建模仿真、關鍵部件的概念驗證、先期部件開發和地面演示驗證階段(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。自2015年以來，針對可重復使用高超聲速飛行器的應用需求，重點圍繞著先進的發動機部件，拓寬超燃沖壓發動機工作馬赫數范圍，大型超燃沖壓發動機的尺寸縮放規律等問題開展研究(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。

　　2.英國

　　考慮到超燃沖壓發動機高的起動馬赫數，英國超燃沖壓發動機的研究始終與面向單級入軌空天飛行器應用的組合循環發動機研究相伴隨。組合循環發動機是將各種發動機單元有機地組合到一起，功能上實現相互補充，以達到最佳的發動機性能。20世紀80年代末，英國反應發動機公司在霍托兒RB545發動機的基礎上提出了佩刀發動機(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。

　　該發動機實質上是一種渦輪—超燃沖壓—火箭組合循環發動機。在20多年的研發過程中，該公司對佩刀發動機方案做了4次調整，在2015年公開的改進方案中，燃燒室由一個燃燒室解耦為吸氣模態和火箭模態兩個獨立的燃燒室，尾噴管改為雙喉道噴管。改進后的佩刀發動機比沖性能大幅提升，制造難度大大降低，工程實現可行性大幅提高。

　　仿真分析表明，推重比基本不變情況下，改進循環后，燃料消耗量降低40%、最大比沖可提高70%。隨著技術成熟度的不斷提高，佩刀發動機得到了越來越多的關注，并獲得了更多的經費支持。不僅歐洲對其青睞有加，而且美國也很認可。美國空軍于2014年引進并開始研究佩刀發動機，NASA也對佩刀發動機進行了獨立評估，驗證了佩刀發動機方案的可行性(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。

　　2016年9月，美國空軍研究實驗室在美國航空航天學會(AIAA)的大會報告中首次公開兩型基于佩刀發動機的兩級入軌空天飛行器方案。佩刀發動機的技術方案的調整及美英應用方案的提出，標志著該發動機工程實現的技術路線基本明確。另外，美國空軍評估認為，佩刀發動機有望在未來5～15年投入實際使用(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。

　　3.澳大利亞

　　澳大利亞國防科技機構(DSTO)聯合美國空軍研究實驗室牽頭，并有多國國防機構以及科研單位參與，在2006年啟動了HIFiRE(HypersonicInternationalFlightResearchExperimentalProgramme)項目，旨在采用“經濟、可行、原理性試驗手段”研究重要的高超聲速現象，從而加速遠程精確打擊飛行器的技術發展。

　　項目旨在為X-51以及后續全球遠程高速打擊武器積累技術基礎，近期目標為戰術巡航導彈(5～10年)，中期目標為高超聲速飛機(10～20年)，遠期目標為吸氣式推進的跨大氣層飛行器、空天飛機(20～30年)(鄧帆、葉友達、焦子涵等，2017)。到目前為止，該項目已經完成8次飛行試驗，作為近10年來在探索臨近空間有動力飛行器技術方面國際參與度最高、系列試驗次數最多、獲取飛行實驗數據量最大的項目，在氣動布局設計和推進系統研發等多方面取得一系列有價值的數據(鄧帆、葉友達、焦子涵等，2017)。

　　從此項目可以得到一些值得借鑒的經驗，如由部分到整體的總體研究思想、目標導向方法的應用、跨國跨組織合作、注重發揮地面實驗與數值模擬的作用等(周建興、佘文學，2015)。總的來說HIFiRE項目基于之前HyShot、HyCUASE等項目的積累，利用探空火箭技術為高超聲速飛行研究提供了一個低成本、較成熟的研究平臺，對高超聲速領域的基礎問題和現象開展了研究并獲取了相關數據，為未來的高超聲速飛行器研究提供了一定的參考。

　　4.俄羅斯

　　自20世紀50年代開始，蘇聯就已經開始超燃沖壓發動機的相關研究。1962年，第一科學研究所(NII-1)建成了第一座大型自由射流試驗設備(BMG)。1969年，中央空氣流體動力研究院(TsAGI)開始建造自由射流設備(T-131B)、直聯實驗臺(T-131V)和小型風洞(SVV-1)配套實驗系統。80年代后，又進行了一系列自由射流實驗(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。蘇聯解體后，俄羅斯近年來主要實施了“冷計劃”和“鷹計劃”。

　　1991—1998年，“冷計劃”的飛行器進行了5次飛行試驗，采用氫燃料雙模態發動機，實現了由亞燃向超燃的轉變，最大飛行馬赫數為6.5。“鷹計劃”的飛行器采用升力體布局，用3臺液氫燃料超燃沖壓發動機提供動力，飛行馬赫數6以上，2001年6月和2004年2月，以白楊/鐮刀(SS-25)導彈作為助推器進行了試飛(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。

　　隨后，俄羅斯在高超聲速及超燃沖壓發動機領域的研究相對沉寂。直至2012年，才再次看到俄羅斯完成高超聲速導彈與載機掛架的分離試驗消息。據悉，俄羅斯目前在開展一項有關超燃沖壓發動機推進系統的保密計劃，計劃中的推進系統可用在洲際彈道導彈上進行導彈防御(姜鵬、匡宇、謝小平等，2017)。

　　5.法國

　　法國超燃沖壓發動機的研究始于20世紀60年代。60年代末就已建造了高超聲速風洞S4MA，70年代初在ESOPE計劃中進行了馬赫數7的燃燒實驗和馬赫數6的直聯式實驗。20世紀90年代，法國在國防部等單位的領導下開始實施先進的高超音速推進技術與研究計劃(PREPHA計劃)(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。

　　該計劃重點研究氫燃料超燃沖壓發動機的設計與地面試驗，包括：超燃沖壓發動機試驗模型的設計與地面試驗、試驗設備的建設、計算程序和物理模型的發展、材料技術和總體設計技術的研究，主要研究用于大型飛行器的超燃沖壓發動機技術(袁春飛、仇小杰，2016)。此外，法國還與俄羅斯的中央航空發動機研究院(CIAM)合作，用助推器發射以軸對稱構型氫燃料超燃沖壓發動機為推進系統的高超聲速飛行器，以便初步了解超燃沖壓發動機在飛行狀態下的工作性能(袁春飛、仇小杰，2016)。在法國政府的支持下，歐洲導彈集團公司(MBDA)在20世紀90年代與俄羅斯莫斯科航空學院(MAI)合作，進行了幾何結構可調的寬馬赫數雙模態超燃沖壓發動機研究(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。

　　為初步研究高超聲速巡航導彈推進系統設計和使用技術，并能直接考慮某些作戰限制因素，1999年，法國國防部正式啟動PEOMETHEE項目，該項目旨在研究固沖發動機的相關技術難題(王志吉、夏智勛、羅振兵等，2001)。同時，法國還與俄羅斯、德國進行了大量合作，如法國與俄羅斯合作開展了馬赫數3～12的超燃沖壓發動機項目、火箭搭載的飛行試驗等(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。

　　6.其他國家

　　德國早在1987年就開始了一項高超聲速技術儲備計劃，1993年與俄羅斯合作進行了馬赫數6狀態下燃燒室試驗，同時在馬赫數5和6的狀態下對縮尺矩形超燃沖壓發動機進行了試驗。自1995年起，對HFK系列(HFK-L1、HFK-L2、HFK-E0、HFK-E1)高超聲速導彈進行了多次試驗，最大飛行馬赫數6～7(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。日本從70年代開始了超聲速燃燒基礎研究。

　　1993年在Kakuda研究中心的國家航空航天實驗室(NALKRC)建造了自由射流試驗設備(RJTF)，能夠模擬馬赫數4、6、8的飛行條件。1997年在NALKRC安裝了一個大型、自由活塞、高焓激波風洞(HEIST)，能夠進行馬赫數8～15速度范圍內的超燃沖壓發動機試驗。自20世紀90年代起，日本開展了為期10年的超聲速/高超聲速運輸推進系統(HYPR)計劃，美、英、法等國公司也有參與，重點研制大推力高速度的TBCC(渦輪基組合循環)發動機(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。

　　2003年，NALKRC與日本宇宙開發事業集團(NASDA)、日本空間科學研究所(IASA)合并為日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)，繼續開展超燃沖壓發動機關鍵技術研究。對我國超燃沖壓發動機技術發展的建議：

　　(1)加強頂層設計與統籌規劃，形成技術儲備�；�于我國目前在超燃沖壓發動機領域各研究機構在研究方向上相對分散的現狀，建議在國家層面上，對超燃沖壓發動機技術所涉及的研究領域與突破方向進行總體規劃，部署高超聲速推進系統相關重點專項，在制度層面上保證我國超燃沖壓發動機總體研究計劃的執行，有條不紊地建立我國在超燃沖壓發動機工程應用所需的各項技術儲備。

　　(2)進一步加強相關基礎科學問題研究�；�、火焰傳播與火焰穩定、碳氫燃料的詳細化學反應機理,以及壁面熱防護等。由于超燃沖壓發動機工作過程的復雜性，以及相關過程間的強耦合性，使得目前還未對這些現象進行圓滿的解釋，進而限制了對發動機相關過程機理的揭示。因此，建議進一步加大對超燃沖壓發動機相關基礎科學問題研究的支持力度，從而為相關關鍵技術的突破提供強力支撐。

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