冲压发动机的组合战术.docVIP

冲压发动机的组合战术 　　“穷极则变”作为指导各行业发展的通用规律，在飞行器动力领域亦如此。现如今，人类活动逐渐渗透到空间垂直各高度，并同时追逐更激情的速度，但即使是啸天神器冲压发动机暂时也难满足。当单一达到极限，组合成为了实践应用中最常采取的战术。 　　自1913年雷内?劳伦提出冲压发动机概念以来，以其马赫数大于3.5时的高比冲、高推重比性能傲视其它喷气发动机。但必须正视的是，冲压发动机具有无可回避的局限，即不能自启动，必须被带飞到一定速度才可以开始工作。因此，基于冲压发动机的组合发动机的发展思路，就是给冲压发动机组合一个可以零速度启动的发动机。 世界上最早的涡轮冲压发动机的原型是美国SR-71“黑鸟“侦察机的动力系统J-58发动机，目前仍保持着涡轮喷气发动机创下的持续数小时、巡航Mgt;3的记录。 　　在飞行速度较低阶段，由组合发动机中的另一类型发动机工作，当达到高马赫数时，冲压发动机工作。由此规避冲压发动机的缺陷，更大程度发挥其优势。冲压发动机可作为组合动力中的经典发动机，除了其性能优势外，还由于冲压发动机没有旋转部件，结构简单，与其他发动机较容易达到深度耦合。 涡轮冲压组合发动机TBCC 　　TBCC发动机由涡喷/涡扇发动机与冲压发动机在结构、热力循环和工作过程有机组合而成的发动机。在低马赫数时，组合发动机以涡轮模态工作;在高马赫数时，以冲压模态工作。那么不高不低马赫的时候呢？都不工作，不太合适。中间马赫数时，冲压与涡轮发动机同时工作，且处于模态转换状态。TBCC发动机工作包线覆盖了涡轮及冲压发动机，能够在较宽的速度范围内维持较高的循环效率，可以重复使用。 　　上世纪的50～80年代，应用于美国超速侦察机SR-71的J58、法国的Griffon发动机可以作为TBCC发展第一阶段典型代表。彼时的研究充分证明，涡轮冲压组合发动机具有优异的高速持续飞行能力。 　　时间推进至上世纪八九十年代。除传统航空强国外，日本的超声速运输推进计划HYPR也极具代表性。1999年，首台HYPR-C发动机在美国GE公司的高空台上成功进行了高空模拟试验。 　　2001年，美国进行首次X-43A飞行演示验证试验，但由于助推器故障，在验证机的超燃冲压发动机启动前就已失败。虽然随后的两次飞行演示验证试验取得成功，但其超燃冲压发动机的试验任务转由基于RBCC技术的X-51A验证机继续进行。2008年，“猎鹰计划”下HTV-3X验证机开始研制，用以验证飞行器在马赫数为10以下的飞行状况，同年9月，由于经费预算大幅削减，该项目被迫暂停。 　　TBCC发动机的技术瓶颈在于涡轮与冲压模态接力转换。在涡轮发动机工作上限和冲压发动机工作下限，如何能够在确保性能不降条件下平稳实现两种状态的过渡，是发展更高速度量级TBCC发动机的最大制约。 X-51A由波音公司与普惠公司共同开发，由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动，设计飞行马赫数在6～6.5之间。 火箭冲压组合发动机RBCC 　　在起飞阶段，RBCC以空气增强火箭模态启动，达到亚燃冲压发动机工作范围，转入亚燃模态，当马赫数继续增大，可采用超燃冲压发动机工作进入超燃模态，或者关闭进气道，直接进入纯火箭模态。听上去，很高大上，事实也确实如此。理论上，RBCC发动机能在马赫数0～25，0～轨道高度宽范围内工作。在美国2030年吸气式推进技术发展规划中，RBCC发动机被认为是进入空间的最有发展前景的动力技术之一。 　　1958年，在空军的资助下，马夸特公司对Hyperjet火箭冲压发动机进行了飞行试验。此外，还有洛克希德、 　　“火箭动力”等机构也开展了工作，但这些研究因为经费问题，以及航天飞机选用了纯火箭动力而搁浅。上世纪80年代后，基于先进可重复使用运输计划，RBCC发动机在美国再次得到重视。近期研究中，大家比较熟悉的包括由空军主导的组合循环发动机组件（CCEC）计划下的“乘波者”X-51A，这项旨在验证超燃冲压发动机在高马赫数下的持续飞行能力，为未来设计高超声速巡航导弹提供重要技术支撑的试验计划，已经完成了全部的四次试验，仅有最后一架X-51A实现了210秒的5倍音速飞行，并永远坠入太平洋。 空气涡轮火箭/冲压发动机ATR 　　在ATR的组合当中驱动风扇的涡轮是由燃气发生器产生的燃气或者加热膨胀的氢气来带动，这让它别于利用空气的常规涡轮。ATR发动机可以用于天地往返运输系统一级飞行器。 　　自1932年美国提出该发动机概念以来，曾以战术导弹为背景开展地面试验，但在上世纪90年代完成部分飞行试验后就无明确发展计划。而日本也在同一时期开展大量原型机地面试验及相应部件预冷器方案研究，后该研究计划重点改变。 　　如此高难度的组合方式，目前没有继续深入研究的根本原因，或许是因为ATR在高