李旭彥1 ，鄭星2，薛瑞2

　　(1.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院)

　　高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展是人類繼發(fā)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(fā)動機為代表的高性能推進技術(shù)則是實現(xiàn)高超聲速飛行的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，美國等航空航天強國正加緊布局，積極開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。本文對世界各主要國家超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀進行了梳理分析，并基于我國研究現(xiàn)狀提出了進一步的發(fā)展建議。

　　一、關(guān)于超燃沖壓發(fā)動機

　　超聲速燃燒沖壓發(fā)動機(簡稱超燃沖壓發(fā)動機)被認為是目前實現(xiàn)飛行器在大氣層內(nèi)高超聲速飛行的最佳動力裝置，由于其良好的經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)簡單性，已經(jīng)成為21世紀航空航天領(lǐng)域研究的重點之一。

　　超燃沖壓發(fā)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(tài)，然后氣流與燃料在燃燒室內(nèi)混合燃燒釋熱，轉(zhuǎn)變成高溫高壓氣體后通過尾噴管膨脹產(chǎn)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(fā)動機應(yīng)運而生(俞剛、范學(xué)軍，2013)。

　　超燃沖壓發(fā)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(zhuǎn)動部件，具有渦輪噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機不具備的性能優(yōu)點，有可能開發(fā)成為飛得更高、更快的高超聲速飛行器，未來還有可能發(fā)展成為更加便捷、安全和低成本的天地往返運輸系統(tǒng)(俞剛、范學(xué)軍，2013)。

　　二、各主要國家超燃沖壓發(fā)動機研究情況

　　1.美國

　　美國作為目前超燃沖壓發(fā)動機研究最為領(lǐng)先的國家，其牽頭超燃沖壓發(fā)動機及其組合動力科研的政府機構(gòu)主要包括：美國空軍研究實驗室(AFRL)、美國海軍、國防預(yù)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(fā)動機領(lǐng)域保持穩(wěn)定的投資，以持續(xù)推動小型和中大型超燃沖壓發(fā)動機的科研活動。

　　小型超燃沖壓發(fā)動機目前處于先期技術(shù)開發(fā)階段，研發(fā)重點是開發(fā)并演示驗證碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機。針對戰(zhàn)術(shù)任務(wù)子系統(tǒng)，2016—2017年，美國制定了相關(guān)研究計劃，包括超燃沖壓發(fā)動機起動系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及發(fā)動機控制系統(tǒng)。最近即將啟動具有工程轉(zhuǎn)化目標的超燃沖壓發(fā)動機制造項目，該項目可應(yīng)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(fā)動機的研發(fā)則主要面向應(yīng)用研究階段，該階段位于基礎(chǔ)研究和先期技術(shù)開發(fā)階段之間。研發(fā)的重點主要是開發(fā)組合/先進循環(huán)吸氣式高速(到馬赫數(shù)5)和高超聲速(馬赫數(shù)5～7)推進技術(shù)，以支持未來高速/高超聲速武器和飛機的應(yīng)用。目前研究處于建模仿真、關(guān)鍵部件的概念驗證、先期部件開發(fā)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(fù)使用高超聲速飛行器的應(yīng)用需求，重點圍繞著先進的發(fā)動機部件，拓寬超燃沖壓發(fā)動機工作馬赫數(shù)范圍，大型超燃沖壓發(fā)動機的尺寸縮放規(guī)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(fā)動機高的起動馬赫數(shù)，英國超燃沖壓發(fā)動機的研究始終與面向單級入軌空天飛行器應(yīng)用的組合循環(huán)發(fā)動機研究相伴隨。

　　組合循環(huán)發(fā)動機是將各種發(fā)動機單元有機地組合到一起，功能上實現(xiàn)相互補充，以達到最佳的發(fā)動機性能。20世紀80年代末，英國反應(yīng)發(fā)動機公司在霍托兒RB545發(fā)動機的基礎(chǔ)上提出了佩刀發(fā)動機(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。該發(fā)動機實質(zhì)上是一種渦輪—超燃沖壓—火箭組合循環(huán)發(fā)動機。在20多年的研發(fā)過程中，該公司對佩刀發(fā)動機方案做了4次調(diào)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(tài)和火箭模態(tài)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(fā)動機比沖性能大幅提升，制造難度大大降低，工程實現(xiàn)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(huán)后，燃料消耗量降低40%、最大比沖可提高70%。

　　隨著技術(shù)成熟度的不斷提高，佩刀發(fā)動機得到了越來越多的關(guān)注，并獲得了更多的經(jīng)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(fā)動機，NASA也對佩刀發(fā)動機進行了獨立評估，驗證了佩刀發(fā)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(xué)會(AIAA)的大會報告中首次公開兩型基于佩刀發(fā)動機的兩級入軌空天飛行器方案。佩刀發(fā)動機的技術(shù)方案的調(diào)整及美英應(yīng)用方案的提出，標志著該發(fā)動機工程實現(xiàn)的技術(shù)路線基本明確。另外，美國空軍評估認為，佩刀發(fā)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(gòu)(DSTO)聯(lián)合美國空軍研究實驗室牽頭，并有多國國防機構(gòu)以及科研單位參與，在2006年啟動了HIFiRE (Hypersonic International Flight Research Experimental Programme)項目，旨在采用“經(jīng)濟、可行、原理性試驗手段”研究重要的高超聲速現(xiàn)象，從而加速遠程精確打擊飛行器的技術(shù)發(fā)展。項目旨在為X-51以及后續(xù)全球遠程高速打擊武器積累技術(shù)基礎(chǔ)，近期目標為戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)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(jīng)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(shù)方面國際參與度最高、系列試驗次數(shù)最多、獲取飛行實驗數(shù)據(jù)量最大的項目，在氣動布局設(shè)計和推進系統(tǒng)研發(fā)等多方面取得一系列有價值的數(shù)據(jù)(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(jīng)驗，如由部分到整體的總體研究思想、目標導(dǎo)向方法的應(yīng)用、跨國跨組織合作、注重發(fā)揮地面實驗與數(shù)值模擬的作用等(周建興、佘文學(xué)，2015)?？偟膩碚fHIFiRE項目基于之前HyShot、HyCUASE等項目的積累，利用探空火箭技術(shù)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(lǐng)域的基礎(chǔ)問題和現(xiàn)象開展了研究并獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)，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(lián)就已經(jīng)開始超燃沖壓發(fā)動機的相關(guān)研究。1962年，第一科學(xué)研究所(NII-1)建成了第一座大型自由射流試驗設(shè)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(shè)備(T-131B)、直聯(lián)實驗臺(T-131V)和小型風(fēng)洞(SVV-1)配套實驗系統(tǒng)。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(lián)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(tài)發(fā)動機，實現(xiàn)了由亞燃向超燃的轉(zhuǎn)變，最大飛行馬赫數(shù)為6.5?！苞椨媱潯钡娘w行器采用升力體布局，用3臺液氫燃料超燃沖壓發(fā)動機提供動力，飛行馬赫數(shù)6以上，2001年6月和2004年2月，以白楊/鐮刀(SS-25)導(dǎo)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(fā)動機領(lǐng)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(dǎo)彈與載機掛架的分離試驗消息。據(jù)悉，俄羅斯目前在開展一項有關(guān)超燃沖壓發(fā)動機推進系統(tǒng)的保密計劃，計劃中的推進系統(tǒng)可用在洲際彈道導(dǎo)彈上進行導(dǎo)彈防御(姜鵬、匡宇、謝小平等，2017)。

　　5.法國

　　法國超燃沖壓發(fā)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(fēng)洞S4MA，70年代初在ESOPE計劃中進行了馬赫數(shù)7的燃燒實驗和馬赫數(shù)6的直聯(lián)式實驗。20世紀90年代，法國在國防部等單位的領(lǐng)導(dǎo)下開始實施先進的高超音速推進技術(shù)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(fā)動機的設(shè)計與地面試驗，包括：超燃沖壓發(fā)動機試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與地面試驗、試驗設(shè)備的建設(shè)、計算程序和物理模型的發(fā)展、材料技術(shù)和總體設(shè)計技術(shù)的研究，主要研究用于大型飛行器的超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)(袁春飛、仇小杰，2016)。此外，法國還與俄羅斯的中央航空發(fā)動機研究院(CIAM)合作，用助推器發(fā)射以軸對稱構(gòu)型氫燃料超燃沖壓發(fā)動機為推進系統(tǒng)的高超聲速飛行器，以便初步了解超燃沖壓發(fā)動機在飛行狀態(tài)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(dǎo)彈集團公司(MBDA)在20世紀90年代與俄羅斯莫斯科航空學(xué)院(MAI)合作，進行了幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)的寬馬赫數(shù)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)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(dǎo)彈推進系統(tǒng)設(shè)計和使用技術(shù)，并能直接考慮某些作戰(zhàn)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(fā)動機的相關(guān)技術(shù)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(shù)3～12的超燃沖壓發(fā)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(shù)儲備計劃，1993年與俄羅斯合作進行了馬赫數(shù)6狀態(tài)下燃燒室試驗，同時在馬赫數(shù)5和6的狀態(tài)下對縮尺矩形超燃沖壓發(fā)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(dǎo)彈進行了多次試驗，最大飛行馬赫數(shù)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(chǔ)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(shè)備(RJTF)，能夠模擬馬赫數(shù)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(fēng)洞(HEIST)，能夠進行馬赫數(shù)8～15速度范圍內(nèi)的超燃沖壓發(fā)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(tǒng)(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(huán))發(fā)動機(夏有財、戴順安、蘇艷，2016)。2003年，NALKRC與日本宇宙開發(fā)事業(yè)集團(NASDA)、日本空間科學(xué)研究所(IASA)合并為日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)，繼續(xù)開展超燃沖壓發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究。

　　三、我國超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

　　我國自1980—1990年中期就已開始超燃研究，國內(nèi)超燃研究發(fā)展緩慢，當時的主要工作是跟蹤、整理和吸收國外研究成果，并初步建立了超聲速燃燒和超燃沖壓發(fā)動機的基本概念與簡單的性能分析方法等。到90年代中后期，國內(nèi)的超燃研究日趨活躍，主要研究集中在超聲速燃燒品質(zhì)上，如超燃理論、點火與火焰穩(wěn)定、燃料噴注方式、混合增強，以及超聲速燃燒流場數(shù)值模擬等內(nèi)容。

　　90年代后期至今，隨著國家大量資金的投入，超燃沖壓發(fā)動機的地面試驗設(shè)施逐漸完善，超燃研究進一步深入與細化，涌現(xiàn)出大量研究成果，并突破了一些超燃沖壓發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)。

　　但同美國、英國、俄羅斯、法國、澳大利亞以及日本等國的研究狀況相比，我國的高超聲速推進技術(shù)在研究手段、設(shè)備建設(shè)、經(jīng)費投入和人才培養(yǎng)等方面還有很大的差距，仍需要圍繞超燃沖壓發(fā)動機在推進系統(tǒng)設(shè)計、測量技術(shù)與飛行試驗、材料與結(jié)構(gòu)、飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)上加強研究、尋求突破，為超燃沖壓發(fā)動機的廣泛應(yīng)用鋪平道路。

　　對我國超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的建議：

　　(1)加強頂層設(shè)計與統(tǒng)籌規(guī)劃，形成技術(shù)儲備?；谖覈壳霸诔紱_壓發(fā)動機領(lǐng)域各研究機構(gòu)在研究方向上相對分散的現(xiàn)狀，建議在國家層面上，對超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)所涉及的研究領(lǐng)域與突破方向進行總體規(guī)劃，部署高超聲速推進系統(tǒng)相關(guān)重點專項，在制度層面上保證我國超燃沖壓發(fā)動機總體研究計劃的執(zhí)行，有條不紊地建立我國在超燃沖壓發(fā)動機工程應(yīng)用所需的各項技術(shù)儲備。

　　(2)進一步加強相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究?；?、火焰?zhèn)鞑ヅc火焰穩(wěn)定、碳氫燃料的詳細化學(xué)反應(yīng)機理,以及壁面熱防護等。由于超燃沖壓發(fā)動機工作過程的復(fù)雜性，以及相關(guān)過程間的強耦合性，使得目前還未對這些現(xiàn)象進行圓滿的解釋，進而限制了對發(fā)動機相關(guān)過程機理的揭示。因此，建議進一步加大對超燃沖壓發(fā)動機相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究的支持力度，從而為相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的突破提供強力支撐。

　　本文特約編輯：姜念云