梅東牧，林 鵬，王 戰(zhàn)

(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽110035)

吸氣式空天飛機(jī)對(duì)TBCC動(dòng)力的需求分析

梅東牧，林 鵬，王 戰(zhàn)

(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽110035)

隨著空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或以組合式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的空天飛機(jī)，成為航空航天事業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。吸氣式空天飛機(jī)的發(fā)展面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，動(dòng)力就是決定因素之一。對(duì)空天飛機(jī)動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行了分析，指出渦輪基組合循環(huán)(TBCC)動(dòng)力因其工作范圍較大而成為空天動(dòng)力的最佳選擇。對(duì)比分析了串聯(lián)/并聯(lián)TBCC的技術(shù)特點(diǎn)，歸納總結(jié)了空天飛機(jī)對(duì)組合動(dòng)力的技術(shù)需求。

吸氣式；空天飛機(jī)；渦輪基組合循環(huán)動(dòng)力；串聯(lián)/并聯(lián)布局；飛行任務(wù)

1 引言

21世紀(jì)的空天裝備面臨著低成本、高可靠性、高機(jī)動(dòng)及低污染等新的挑戰(zhàn)。垂直發(fā)射的航天飛機(jī)一旦遇到故障難以終止飛行并回收載荷，這就使得水平起降、吸氣式推進(jìn)的空天飛機(jī)受到重視?？仗祜w機(jī)是一種綜合了航空航天技術(shù)、可重復(fù)使用、水平起降、往返穿越大氣層和空間、執(zhí)行空天任務(wù)的復(fù)雜系統(tǒng)，具有重要的軍事/經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，必將成為航空航天技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

由于不同飛行任務(wù)(如加速與巡航)對(duì)推進(jìn)裝置及飛行器的要求差異很大(表1)：巡航任務(wù)要求發(fā)動(dòng)機(jī)比沖(I)高及飛行器升阻力比(L/D)大，巡航速度(V)高及初終狀態(tài)質(zhì)量比(W0/W)大，同時(shí)其敏感度與航程參數(shù)(IVL/D)成正比、與瞬時(shí)質(zhì)量成反比；而加速任務(wù)則要求發(fā)動(dòng)機(jī)的有效比沖(Ie)高，即Ie=I(1-D/T)大，和W0/W大，其敏感度與Ie成正比、與W成反比。另外加速要求凈推力，如果發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高，但飛行器推阻比也大(如渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)在跨聲速階段)，則其加速性能不好。正因這一特點(diǎn)，有/無巡航任務(wù)要求的空天飛機(jī)對(duì)同一種組合發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)估結(jié)論迥異。如對(duì)于加速任務(wù)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最具優(yōu)勢(shì)；而對(duì)于具有遠(yuǎn)程巡航的飛機(jī)任務(wù)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能更優(yōu)。正因?yàn)椴煌愋偷陌l(fā)動(dòng)機(jī)在不同飛行范圍各具性能優(yōu)勢(shì)，世界上許多國家曾將不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)在每一任務(wù)段的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行組合，形成一種組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 不同飛行任務(wù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器的要求Table 1 Requirements for propulsion and vehicle on different missions

隨著論證和研究工作的深入，對(duì)于組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題也揭示得越來越多，遇到的技術(shù)困難也越來越大。一方面是進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管對(duì)工質(zhì)空氣的供應(yīng)與需求的矛盾，另一方面是部件冷卻、做功、燃燒對(duì)工質(zhì)氫的供需匹配。由此，世界上一些大型的空天飛機(jī)研制計(jì)劃，如美國的NASP計(jì)劃，德國的Sanger計(jì)劃，法國的STS2000、STAR-H計(jì)劃等，都停止了論證和研究。但隨著科技的發(fā)展，一些新的更具發(fā)展前景的吸氣式組合循環(huán)概念不斷涌現(xiàn)，其中以火箭為基礎(chǔ)的組合循環(huán)(RBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)概念、以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的預(yù)冷卻渦輪基組合循環(huán)(PCTBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)概念，受到人們更多的重視。本文將側(cè)重于分析吸氣式空天飛機(jī)對(duì)渦輪基組合循環(huán)(TBCC)動(dòng)力的需求。

2 空天飛機(jī)動(dòng)力技術(shù)

2.1 TBCC是空天飛機(jī)動(dòng)力的最佳選擇

空天飛機(jī)的發(fā)展面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，動(dòng)力是決定因素之一。如圖1所示，渦輪動(dòng)力加預(yù)冷技術(shù)工作范圍可從0到30 km高度，最大速度在Ma3.0以上；亞燃沖壓動(dòng)力從高度20 km以上、速度Ma2.5開始，達(dá)到45 km、Ma6.5；超燃沖壓從高度35 km、速度Ma5.0開始，達(dá)到60 km、Ma10.0。所以空天飛機(jī)要達(dá)到60 km以上高度、Ma10.0以上速度，單一類型的動(dòng)力不能滿足需求，必須有多種動(dòng)力形式組合搭配使用。

圖1 不同發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包線范圍Fig.1 Operating envelop for different engines

TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)是指由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與其它類型發(fā)動(dòng)機(jī)組合而成的動(dòng)力裝置，是帶動(dòng)力水平起降、可重復(fù)使用的高超聲速飛行器的關(guān)鍵動(dòng)力系統(tǒng)之一[1，2]。國外提出了渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及變循環(huán)渦扇沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等，其中對(duì)渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)研究得最多，并開展了很多有關(guān)其技術(shù)發(fā)展的計(jì)劃，如美國的RTA[3]、日本的HYPR[4]和歐洲的LAPCAT[5]計(jì)劃等。從圖1中可看出，以渦輪為基礎(chǔ)的沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍較大，滿足空天飛機(jī)對(duì)動(dòng)力的需求，因此TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)展空天動(dòng)力的最佳選擇。

基于空天飛機(jī)對(duì)動(dòng)力的需求及空天技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)先行發(fā)展對(duì)空天作戰(zhàn)飛機(jī)至關(guān)重要的空天動(dòng)力系統(tǒng)，包括當(dāng)前正在大力發(fā)展且未來潛力巨大的空天動(dòng)力技術(shù)——射流預(yù)冷技術(shù)、吸氣式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和渦輪沖壓組合動(dòng)力技術(shù)。

2.2 串聯(lián)/并聯(lián)TBCC的技術(shù)特點(diǎn)

TBCC根據(jù)渦輪和沖壓兩類發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的關(guān)系與流程，可分為串聯(lián)布局和并聯(lián)布局?？傮w上，并聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積較大，研制難度相對(duì)較小，周期短；串聯(lián)式TBCC迎風(fēng)面積小，推重比高，設(shè)計(jì)難度大。表2列舉了兩種布局TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及比較?？梢?，串聯(lián)式TBCC主要難在組合動(dòng)力設(shè)計(jì)——高速、高溫下渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)，加力/沖壓雙模態(tài)燃燒室設(shè)計(jì)，熱管理，熱防護(hù)，及高溫材料技術(shù)等；并聯(lián)式TBCC主要難在動(dòng)力應(yīng)用——飛/發(fā)一體化設(shè)計(jì)和進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于存在顯著的技術(shù)差異，TBCC技術(shù)應(yīng)分串聯(lián)和并聯(lián)兩條主線來發(fā)展。

3 空天飛機(jī)對(duì)組合動(dòng)力的技術(shù)需求

(1) 飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化綜合設(shè)計(jì)技術(shù)

從飛機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式的復(fù)雜性給飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化綜合設(shè)計(jì)帶來了諸多困難。與傳統(tǒng)飛行器相比，空天飛機(jī)更需要加強(qiáng)飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)。

空天飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，是在提供高效氣動(dòng)產(chǎn)生高效推進(jìn)的同時(shí)，配合飛行器的高容積率、結(jié)構(gòu)的有效性、可控性及好的熱防護(hù)性的一體化要求。各種性能的耦合程度及緊密的一體化設(shè)計(jì)，引起了很多關(guān)于高超聲速飛行的實(shí)際設(shè)計(jì)問題，其中包括燃料選擇、發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)及非設(shè)計(jì)工況性能的最基本問題。

表2 串聯(lián)式和并聯(lián)式TBCC動(dòng)力技術(shù)特點(diǎn)比較Table 2 The characteristics comparison between co-axial and over-under type of TBCC

TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)飛/發(fā)一體化綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，是從整個(gè)飛行器系統(tǒng)出發(fā)來進(jìn)行機(jī)體、組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研究設(shè)計(jì)，主要是指將進(jìn)氣道與飛行器前機(jī)體集成、將尾噴管與飛行器后機(jī)體集成的一種設(shè)計(jì)方法。通過飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)工作中的技術(shù)集成、系統(tǒng)集成、過程集成、人員集成和管理信息集成。即在飛行器設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)考慮多項(xiàng)技術(shù)對(duì)飛行器總體性能的影響，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化。將過去彼此獨(dú)立的系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，降低全系統(tǒng)的重量和成本，提高系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性，增強(qiáng)飛行器的作戰(zhàn)能力。由于當(dāng)前TBCC技術(shù)尚不成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性與性能規(guī)律欠缺試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，很多高馬赫數(shù)飛行器的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)仍以氣動(dòng)特性為設(shè)計(jì)指標(biāo)，只是在設(shè)計(jì)過程中考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求，并未完全納入氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，并且影響高馬赫數(shù)飛行器性能的參數(shù)較多，飛行器一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)較多，需深入研究TBCC動(dòng)力與氣動(dòng)外形性能變化規(guī)律，簡(jiǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，才能進(jìn)行高效率的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，開展飛發(fā)一體化綜合設(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān)尤為重要。

(2)組合動(dòng)力模態(tài)轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

TBCC動(dòng)力不同于以往其它任何一個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其整個(gè)工作歷程經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)工作，到渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作，最終到?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，對(duì)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)控制率的設(shè)計(jì)都提出了挑戰(zhàn)。兩種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)涉及到接力轉(zhuǎn)換，進(jìn)氣道斜板調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)、TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝形式和冷卻等與以往都有很大差別。如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中對(duì)進(jìn)氣流量的控制和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的連續(xù)控制等，確定最佳模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)和最佳轉(zhuǎn)換點(diǎn)，保證各分系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)、安全、穩(wěn)定工作，是飛機(jī)部門與發(fā)動(dòng)機(jī)部門需共同研究的問題。

(3)高速推進(jìn)系統(tǒng)冷卻與熱防護(hù)技術(shù)

目前采用的發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻技術(shù)，主要是利用飛機(jī)機(jī)身、垂尾表面沖壓進(jìn)氣口進(jìn)氣，當(dāng)飛機(jī)高速飛行時(shí)實(shí)現(xiàn)沖壓進(jìn)氣，實(shí)施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。對(duì)于高超聲速空天飛機(jī)，若采用傳統(tǒng)的沖壓進(jìn)氣冷卻方式，高馬赫數(shù)飛行時(shí)將導(dǎo)致飛機(jī)駐點(diǎn)溫度過高，沖壓進(jìn)氣口氣流溫度很高，加之發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電子設(shè)備對(duì)工作環(huán)境溫度敏感，因此必須采用新的冷卻方法和冷卻技術(shù)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件的工作環(huán)境要求。高速推進(jìn)系統(tǒng)冷卻與熱防護(hù)技術(shù)研究目標(biāo)，是希望將組合動(dòng)力艙工作環(huán)境溫度能控制在150℃內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作。

(4)基于TBCC推進(jìn)系統(tǒng)的能源生成技術(shù)

傳統(tǒng)單一的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)部件與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，通過軸功率輸出轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的需求功率。TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)子部件，無法從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸提取功率滿足飛機(jī)的需求。若采用備用蓄電池，必然增加飛機(jī)的重量，影響飛機(jī)的飛行性能。特別是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間飛行的飛行平臺(tái)來說，影響顯著。因此，如何實(shí)現(xiàn)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作中滿足飛機(jī)功率提取要求，也是需要解決的難題。

[1] Snyder L E，Escher D W.Turbine Based Combination Cy?cle(TBCC)Propulsion Subsystem Integration[R].AIAA 2004-3649，2004.

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Requirements for TBCC Propulsion of Air-Breathing Aerospace Vehicle

MEI Dong-mu，LIN Peng，WANG Zhan
(Shenyang Aircraft Design&Research Institute，Shenyang 110035，China)

With the quick development of the aerospace technology,the aerospace vehicle propelled by air-breathing engine or combined engine has been the main research field.The development of air-breath?ing aerospace plane is faced with a lot of technology challenges of which propulsion system is a key ele?ment.Propulsion technology has been analyzed,and it was concluded that TBCC would be the optimal choice for aerospace vehicles for its wide operation range.Technology characteristics of co-axial and over-under types of TBCC were compared and analyzed to summarize the requirements for TBCC.

air-breathing；aerospace vehicle；TBCC；co-axial/over-under type；flight mission

V221；V236

A

1672-2620(2013)06-0012-03

2013-11-18；

2013-12-20

梅東牧(1974-)，男，遼寧沈陽人，高級(jí)工程師，博士，主要從事飛行器總體設(shè)計(jì)研究。