2018, Vol. 39
2. 北京动力机械研究所 高超声速冲压发动机技术重点实验室，北京 100074
2. Science and Technology on Scramjet Laboratory, Beijing Power Machinery Institute, Beijing 100074, China
水平起降、重复使用临近空间和空天飞行器突破了传统航空器的速域、空域极限和传统航天器的飞行模式，将使大规模、低成本、高可靠航天活动成为可能，是未来航天运输系统的重要发展方向。
临近空间和空天飞行器对动力系统提出了水平起降、极宽速域和空域工作、综合油耗低、推重比高、重复使用易维护等极高要求，见图 1，单一动力无法满足，航空航天动力组合形成的吸气式组合发动机是必然发展趋势。
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Fig. 1 Aerospace vehicle demands on propulsion |
空天组合动力需具备由水平起降，跨亚声速、超声速、高超声速、直至入轨速度的极宽速域，由稠密大气、临近空间、到近地轨道的极宽空域范围内工作的能力，将在跨声障、模态转换、高超声速下面临尖锐的推阻矛盾，即“力”的挑战，在高超声速下面临热力循环效率低及结构热防护难的问题，即“热”的挑战，在宽域、跨域面临能否可靠工作的问题，即“域”的挑战；需具备临近空间远程巡航、机动飞行，天地往返运输、轨道驻留、再入返回等多任务适应及故障自修复能力，面临热力循环效率及推进效率等飞行效率优化的问题，即“效”的挑战，面临多任务适应及多点设计最佳难度极高等问题，即“智”的挑战；同时需具备多次重复使用、易维护的使用特点，实现低成本应用。
本文从“力”、“热”、“域”、效”、“智”五个方面阐述空天组合动力面临的技术挑战，并针对性分析提出研究建议。
2 空天组合动力面临的技术挑战 2.1 “力”的技术挑战“力”指空天组合动力需解决飞行器跨声障、模态转换、高超声速均面临的推力和阻力之间的“推力陷阱”问题，对于跨大气层、入轨任务，需能够在外层空间提供推力，实现全域工作。众所周知，涡轮冲压组合循环发动机（TBCC发动机）面临着“推力陷阱”国际难题，经多技术途径探索攻关，至今尚未突破[1~4]。
根据高超声速飞行器推阻曲线（如图 2所示）呈现的规律看，空天组合动力在跨声速、不同动力间模态转换、高超声速加速过程中均面临尖锐的推阻矛盾，即发动机所提供的推力无法满足飞行器加速需求，甚至小于飞行器阻力。
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Fig. 2 Thrust and frag profile for some aerospace vehicle |
“热”指空天组合动力从超声速到高超声速时，来流总温急剧升高，空天动力的循环效率、热结构均面临极大的挑战。
根据气体动力学分析得知，当来流马赫数逐渐增加后，空气总温呈指数型增长趋势，Ma6来流总温可达1650K，Ma8来流总温达到2680K，见图 3，对于涡轮发动机，压气机、涡轮等部件无法耐受如此高温度；对于冲压发动机，若仍压缩到低亚声速进行燃烧，压缩损失极大，热离解严重，性能严重恶化；同时在如此高温环境下，发动机的热防护难度异常突出。
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Fig. 3 Total temperature for different flight Ma |
“域”指空天组合动力宽域、跨域面临的技术挑战。
临近空间及空天飞行器要求动力系统的工作空域是稠密大气、临近空间、外层空间，工作速域是零速、亚声速、超声速、高超声速、直至入轨速度。根据传统单一动力的工作范围和性能优势分析看，见图 4，涡轮发动机适合在亚声速和超声速下工作；冲压发动机在高超声速下性能最优，无法零速启动；火箭发动机可全域工作，但无法经济巡航飞行，因此为提高空天飞行器的载荷和航程，要充分利用大气中的氧，且具备跨大气层能力，组合发动机是空天飞行器动力的必然发展趋势。
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Fig. 4 Specific impulse of different engine |
“效”指通过提高空天组合动力的热力循环效率及推进效率等飞行效率，进而使水平起降临近空间及空天飞行器拥有更远的航程和更大的载荷。
在推进效率方面，临近空间高超声速飞行器的飞行剖面包括加速和巡航两个阶段，其中加速段飞行效率取决于平均比冲和加速时间，即有效比冲，
在循环效率方面，多个热力循环组合后在压缩、燃烧、膨胀及换热等过程均存在优化空间，探索新型高效组合热力循环模式是一大难点。此外，燃料的热值、热沉等能量水平直接决定发动机的燃烧及换热等工作效率，急需探索更高能燃料。
2.5 “智”的技术挑战“智”指空天组合动力从适应单一任务向多任务适应转变，从单点设计最佳向多点设计最佳转变所面临的智能化挑战。
空天组合动力可根据飞行器使用要求，满足加速、巡航、跨大气层、强机动、高升限、快速响应等多任务需求。为适应不同任务需求，空天组合动力需通过变流道结构、变循环、在线监测、健康自管理等智能化操作满足多点设计最佳，这无疑面临巨大的技术挑战。
3 空天组合动力的解决途径建议 3.1 “力”的解决途径综合研判国际技术基础和发展趋势，解决“力”挑战的主要技术途径有以下三种：
（1）拓展涡轮工作范围，发展高速涡轮，提高涡轮单位迎面推力。美国持续开展高速涡轮技术攻关，以实现与Ma4~6双模态超燃发动机接力，但由于技术难度大，至今尚未突破。
（2）拓宽冲压工作范围，发展宽域冲压发动机，通过流道调节、部件匹配优化，见图 5，提升冲压推力，解决宽域冲压低速段推力性能差的问题。
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Fig. 5 Variable structure inlet and nozzle |
（3）利用火箭增推助燃，全程可提供推力大，并在大气层外提供推力。美国《航空周刊》在2013年公布，高速通道引入引射火箭是一种重要途径来解决TBCC发动机面临的“推力陷阱”问题[5]。
根据高超声速飞行器推阻曲线（图 6）可知，通过采用组合循环火箭发动机的辅助作用，大幅提升全程可用推力，可有效解决跨声障、模态转换、高超声速下的推阻矛盾，并实现跨越大气层工作，在外层空间提供所需推力。
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Fig. 6 Optimization thrust and frag profile for some aerospace vehicle |
此外，提高效率的途径很多也可以提高推力，这里主要是从效率之外的途径来解决“力”的问题。
建议重点发展的科学问题包括：（1）宽范围高通流涡轮设计方法；（2）大尺度燃料喷注掺混机制；（3）火箭射流剪切掺混及增压机理；（4）多燃烧模态过渡与转换特性。
建议重点发展的关键技术包括：（1）极端条件燃烧组织技术；（2）宽适应性共用可调进排气技术；（3）多模态火箭冲压复合燃烧组织技术；（4）高低速通道一体化设计与集成技术；（5）高低速通道模态转换技术；（6）气液膜减阻技术。
3.2 “热”的解决途径解决“热”挑战的主要技术途径有以下三种：
（1）采用深度预冷技术，拓展涡轮工作范围。英国反应发动机公司提出协同吸气式火箭发动机（SABRE），采用空气深度预冷技术，将涡轮工作包线拓展到Ma5.5，见图 7，实现与火箭发动机的有效接力[6~8]。
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Fig. 7 Operation of deep precooling turbo |
（2）采用超声速燃烧组织，降低压缩损失，见图 8，提升冲压发动机性能，尤其是当飞行马赫数大于7后，超声速燃烧将是必然趋势。
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Fig. 8 Static temperature of intake outlet for different compress degree |
（3）采用发汗冷却、催化重整等先进主动冷却技术解决热防护的挑战。针对局部高热流、受限空间防热需求，发汗冷却、膜冷却等可通过较少冷却剂流量实现有效热防护，见图 9，并已成功应用于火箭发动机、涡轮及冲压发动机等[9~11]。
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Fig. 9 Transpiration cooling[6] |
建议重点发展的科学问题包括：（1）微细管超临界介质流动换热机理；（2）氦工质逆压流动特性；（3）Ma > 7超高速流动燃烧机理；（4）强粘性、高熵层边界层分析；（5）催化重整工作特性。
建议重点发展的关键技术包括：（1）超轻质深度预冷技术；（2）闭式氦循环技术；（3）先进微细换热管路制造技术；（4）Ma4~7大尺度超声速燃烧组织技术；（5）Ma > 7超声速燃烧组织技术；（6）发汗冷却等先进冷却技术。
3.3 “域”的解决途径通过动力的组合、融合，稠密大气以涡轮为主，临近空间以冲压为主，跨大气层及外层空间利用火箭，有效解决宽域、跨域的挑战，见图 10。美国、英国等先后提出涡轮、火箭、冲压三组合发动机概念，并逐渐成为国际研究热点[6, 12]。
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Fig. 10 Optimization operation of different engines |
建议重点发展的科学问题包括：（1）热力循环高效组合优化方法；（2）多动力一体融合热力循环方法。
建议重点发展的关键技术包括：（1）系统集成及工作模态转换技术；（2）超宽域全流道一体化设计技术；（3）重复超轻耐高温结构热防护技术。
3.4 “效”的解决途径解决“效”挑战的主要技术途径有以下两种：
（1）最大程度利用大气中的氧，适时利用火箭增推助燃，优化全程有效比冲，大幅降低耗油量，见图 11。
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Fig. 11 Effective specific impulse for different rocket engine propellant mass flow ratio |
（2）采用爆震燃烧模式、高能燃料等提升发动机效率。相比等压燃烧热力循环，采用爆震燃烧的热力循环，热效率可提高30%~50%，大幅提升发动机的性能[13, 14]，见图 12。
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Fig. 12 Knocking combustion |
建议重点发展的科学问题包括：（1）新型热力循环模型构建及优化；（2）受限空间稳定爆震燃烧机理；（3）高效能量转换机制；（4）高能燃料特性。
建议重点发展的关键技术包括：（1）低动压燃烧组织增强技术；（2）快速起爆技术；（3）爆震稳定燃烧技术；（4）高能燃料应用技术。
3.5 “智”的解决途径解决“智”挑战的主要技术途径有以下四种：
（1）通过自适应变循环、流道调节使发动机各设计点均处于理想的工作状态，见图 13，14。
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Fig. 13 Adaptive variable cycle engine |
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Fig. 14 Adaptive thermal control |
（2）通过自适应智能控制实现发动机稳定工作，结合机器自学习、数据融合等技术实现空天组合动力的自进化、智能化[15, 16]，见图 15。
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Fig. 15 Data fusion and adaptive control |
（3）通过状态自预测与自修复实现任务自主寻优，见图 16，健康自管理，逐步实现空天动力的智能化[17, 18]。
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Fig. 16 Self repair mechanism and effect |
（4）通过智能制造、健康自管理，见图 17，大幅降低制造、维修与维护费用，实现低成本、易维护特征。
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Fig. 17 Health data management |
建议重点发展的科学问题包括：（1）循环转换模式与切换动态特性；（2）动态过程流动与燃烧匹配特性；（3）快速全局最优高精度控制算法；（4）高度欠定系统状态估计方法；（5）修复机理及修复过程动力学。
建议重点发展的关键技术包括：（1）自适应变循环技术；（2）宽适应性进排气及自适应调节技术；（3）宽适应性多模态燃烧组织与自适应热力调控技术；（4）热力循环/流道结构/控制融合技术；（5）强不稳定高鲁棒自适应协同控制技术；（6）故障状态自预测模型技术；（7）自修复智能材料技术。
4 结束语空天组合动力是水平起降临近空间和空天飞行器的核心关键，需率先开展攻关。空天组合动力系统极其复杂，涉及流道、结构、供给与控制等多个领域，且高度交叉耦合，应创新驱动、集智攻关，共同推动该领域的发展。面向临近空间及空天飞行器使用需求，应通力协作，组建联合攻关团队，持之以恒推动技术发展、尽早实现空天组合动力的自主创新，引领超越。
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