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(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天運輸領域發(fā)展的核心目標包括提高運載能力、降低發(fā)射成本及減少發(fā)射準備時間等。相對于傳統(tǒng)的化學推進技術，先進推進技術采用新能源或新機理，旨在從根本上滿足未來對有效載荷、發(fā)射成本和發(fā)射周期的要求。

國外對先進推進技術的研究開始于20世紀50年代，并在近年來逐漸加快研究步伐。截至目前，美國、俄羅斯、德國、法國、澳大利亞和日本等國家先后提出了相應的研究計劃，并開展了大量的理論、方案、地面及飛行試驗研究。我國從20世紀70年代開始了對相關先進推進裝置的研究，早期基本處于跟蹤分析研究階段。近年來，我國不斷加大投入，主要研究單位包括中國科學院力學所、清華大學、國防科學技術大學、中國科學技術大學、北京航空航天大學、中國航天科工三院和中國運載火箭技術研究院，航天推進技術研究院等。各單位取得了較為豐富的研究成果，特別在組合動力裝置研究中有了較快發(fā)展，但與世界先進水平相比,仍有一定差距，需要開展更深入細致的研究，以期實現(xiàn)工程實際應用。

基于此，本文對國內外組合動力裝置、核聚變動力推進、離子推進、激光推進、核子脈沖推進、太陽帆推進、磁場帆推進、布薩德噴氣推進、反物質推進等先進推進技術的研究進展進行了綜述和可行性分析，并總結了其發(fā)展啟示。

1 研究進展及關鍵技術

1.1 組合動力裝置

組合動力裝置有助于各推進單元達到最佳的發(fā)動機性能，從而充分發(fā)揮不同推進方式的優(yōu)點。其中，火箭基組合循環(huán)(RBCC)將火箭發(fā)動機和亞燃/超燃沖壓發(fā)動機相結合，在不同的馬赫數(shù)和高度范圍內保持較高的推重比及比沖，因此在航天推進領域受到廣泛關注[1]；渦輪基組合循環(huán)(TBCC)是指渦輪發(fā)動機和亞燃/超燃沖壓發(fā)動機組合的動力裝置，可以作為高超聲速武器和多級入軌航天器第一級的理想動力[2]。

1.1.1 火箭基組合循環(huán)

火箭發(fā)動機的推重比較高，而比沖較低；吸氣式發(fā)動機的比沖較高，但推重比較低。RBCC將二者有機結合在一個流道中，整合了火箭發(fā)動機、亞燃沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機，因此能夠同時滿足加速及巡航的要求，兼顧高效性和經(jīng)濟性。

作為第一個開展RBCC研究的國家，美國在20世紀60年代就開展了可重復使用航天運輸計劃，由此掀起了RBCC研究的第一次熱潮[3]。其中，馬夸特公司針對SERJ(Super-Charged Ejector Ramjet)開展了低速來流條件下的燃燒工程試驗，研究了引射模態(tài)、沖壓過渡模態(tài)等過程，取得了較好的效果[4]。

20世紀90年代，美國啟動了旨在實現(xiàn)航天運輸班機化的ASTP計劃[5]，并由此開啟了研究的第二次熱潮。隨后，研制了4種代表性模型樣機，具體情況如表1所示。

表1 美國4種代表性RBCC模型樣機的研制概況

近年來，美國逐漸加快RBCC的研究步伐，并且取得了豐富的成果。其中，Hyper-X計劃的推進裝置即為ISTAR發(fā)動機，在2004年3月和11月先后進行兩次試飛，成功進行飛行馬赫數(shù)為7和10的飛行試驗。CCE計劃即是組合循環(huán)發(fā)動機部件發(fā)展計劃，主要目的是為軍用空天飛機提供第一級動力，其部件開發(fā)研究開始于2011年，計劃中以RBCC為動力的飛行器為Sentinel，該飛行器以引射模態(tài)作為低速段動力垂直起飛，飛行馬赫數(shù)達到3.5時則開始以雙模態(tài)進行工作，當馬赫數(shù)達到8時，第二級由H2O2助推火箭推送入軌，而第一級則返回地面水平降落。目前，關于Sentinel的研究正在進行，其中飛行器的一體化氣動設計、飛行軌道優(yōu)化等工作已部分完成[4]。

俄羅斯航天局于20世紀90年代開始實施OREL計劃，旨在研究可重復使用的天地往返運輸系統(tǒng)的各項備選方案；俄羅斯中央發(fā)動機研究院也開展了大量組合循環(huán)推進系統(tǒng)方面的研究[10]。

歐洲航天局(ESA)在1994—1998年開展了未來歐洲空間運輸研究計劃(FESTIP)，對可重復使用的運載器進行概念研究，特別進行了引射火箭的相關研究[11]；在2005年還制定了長期先進推進概念和技術研究計劃(LAPCAT)，旨在對煤油及氫燃料的RBCC推進系統(tǒng)開展系統(tǒng)分析，并對一次火箭和支板噴射等關鍵技術進行研究。

英國提出協(xié)同式吸氣火箭發(fā)動機(SABRE)的設想，并計劃將其應用于天龍(Skylon)空天飛行器，被視為發(fā)展前景較好的RBCC設計方案。SABRE的構型由圖1所示，其研制概況如表2所示。

圖1 協(xié)同式吸氣火箭發(fā)動機的基本結構[12]Fig.1 Basic structure of the SABRE [12]

基本原理 在液化空氣循環(huán)發(fā)動機(LACE)和RB545發(fā)動機方案基礎上,通過增設氦氣回路,并加裝高效輕質冷卻器而形成,實質上是渦輪發(fā)動機轉子部件、沖壓發(fā)動機和火箭發(fā)動機的組合。外涵道主要由進氣道和沖壓燃燒室組成;內涵道由換熱器、空氣渦輪壓氣機、液氧泵、液氧泵驅動渦輪、液氫泵、液氫泵驅動渦輪、氦渦輪、預燃室、火箭燃燒室等部件組成關鍵技術 冷卻(溫度控制)技術:預冷卻器單元可以在0.01s內將超過1150℃的發(fā)動機進口空氣冷卻到-150℃,從而使發(fā)動機的工作溫度處在可控范圍內特點在常規(guī)跑道起飛;飛行器可重復使用;在大氣層內通過吸氣支持燃燒,而不使用消耗大量推進劑的火箭發(fā)動機應用范圍空天飛機(進入軌道執(zhí)行發(fā)射衛(wèi)星、運送空間站給養(yǎng)、太空旅游等任務)高超聲速巡航導彈、空天武器平臺(反衛(wèi)星、導彈攔截)研究單位英國Reaction Engines公司支持單位英國政府、歐洲航天局、美國空軍研究實驗室研究進展 2013年完成了全尺寸預冷器地面試驗;2015年完成了對進氣道、燃燒室、尾噴管以及模態(tài)轉換技術試驗驗證;目前處于1/4縮比驗證機地面試驗階段,預計2022年進行全尺寸發(fā)動機的飛行試驗驗證

日本從1992年起就開始了RBCC的研究工作，并在2003年正式啟動了組合循環(huán)發(fā)動機研究；近年來，進一步開展了匹配超燃的擴展構型燃燒室中引射模態(tài)的燃燒性能優(yōu)化，以及引射向亞燃模態(tài)過渡的性能研究[14]。

國內的航天科工三院在20世紀70年代就開始對RBCC進行跟蹤研究，并從90年代開始重點研究了引射模態(tài)以及發(fā)動機典型工作特征，并提出固體火箭沖壓基組合循環(huán)發(fā)動機和固液火箭沖壓發(fā)動機的概念方案。航天科工三院31所針對超燃沖壓發(fā)動機進行了大量地面試驗，據(jù)報道[15]，已經(jīng)開展了高超聲速飛行試驗。航天推進技術研究院研究了RBCC發(fā)動機的主火箭系統(tǒng)，研制了用于一體化集成的主火箭，并開展了以氣態(tài)氧/烴燃料為推進劑的點火試驗。中國科學院力學所分析了不同來流條件下影響引射性能的主要參數(shù)，并由此提出促進混合的方案。國防科學技術大學對雙模態(tài)及超燃沖壓發(fā)動機開展了點火性能和火焰穩(wěn)定的機理研究，并成功開展了相關的自由引射試驗。西北工業(yè)大學組建了引射/亞燃發(fā)動機實驗系統(tǒng)，并建立了一體化燃燒流場的數(shù)值模擬方法。

1.1.2 渦輪基組合循環(huán)

TBCC將渦輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的工作循環(huán)相結合，使飛行器在亞聲速、超聲速和高超聲速條件下都能獲得較好的推進性能。TBCC在軍事及民用領域都有十分廣泛的應用前景：既可作為超聲速、高超聲速導彈及飛機的動力裝置，又可作為多級入軌航天器第一級的推進系統(tǒng)。

美國也是第一個開展TBCC研究的國家，在20世紀50年代就開展了相關的研究工作。目前，美國進行的TBCC研究主要包括RTA項目、Falcon計劃和Trijet項目[16-18]。

RTA即革新渦輪加速器項目，旨在開發(fā)一種馬赫數(shù)為4～5的渦輪沖壓組合發(fā)動機。該項目的近期目標是將基于RTA的渦輪沖壓組合發(fā)動機用于高超聲速巡航導彈及戰(zhàn)斗機；中期目標是用于全球快速到達攻擊機；遠期目標是成為太空飛行器的動力裝置。通過RTA項目，美國希望TBCC技術的成熟度達到6級，以滿足空天飛行器對TBCC的各項要求。

Falcon計劃旨在研制一種采用TBCC的高超聲速飛行器，燃料為JP-7煤油。該飛行器可自主起飛降落，借助渦輪發(fā)動機加速到馬赫數(shù)為4，隨后通過以液氫為燃料的超燃沖壓發(fā)動機加速到飛行馬赫數(shù)10以上。該計劃的總承包商為洛克希德馬丁公司，發(fā)動機由普惠公司(Pratt & Whitney)研制。為了使渦輪和沖壓模態(tài)協(xié)調工作，對其中的可調進氣道、軸對稱雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中的高效燃燒和可調尾噴管進行了地面關鍵技術驗證工作。2007年，F(xiàn)alcon計劃完成了HTV-2關鍵技術驗證計劃，并于2010年4月和2011年8月分別進行了兩次試飛，但并未獲得成功。

Trijet項目將渦輪發(fā)動機、火箭引射沖壓發(fā)動機和雙模態(tài)沖壓發(fā)動機相結合，是一種新型的TBCC動力裝置，解決了渦輪發(fā)動機向雙模態(tài)沖壓發(fā)動機轉換時推力不足的問題。該項目的研制單位是航空噴氣公司(Aerojet)，項目中引入了先進組合循環(huán)集成進氣道和中心燃燒技術等先進技術，被視為可重復使用高超聲速飛行器的最具潛力的動力方案之一。

近年來，美國大幅提升高超聲速領域國防預算，推動TBCC的研究及試驗。2017年，美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了先進全速域發(fā)動機項目，旨在驗證TBCC動力裝置從渦輪發(fā)動機到雙模態(tài)沖壓發(fā)動機的轉化，計劃開展全尺寸自由射流地面試驗[19]。

俄羅斯中央發(fā)動機研究院在20世紀七八十年代就進行了全尺寸的渦輪沖壓發(fā)動機地面試驗，探索了并聯(lián)式和串聯(lián)式TBCC，針對不同的飛行器需求，優(yōu)化了渦輪發(fā)動機方案，并開展飛行器與組合動力一體化研究，旨在為兩級入軌飛行器MIGAKS研發(fā)先進的渦輪沖壓組合動力。此外，為俄羅斯海軍研制的Biryuza超聲速反艦導彈采用的就是渦輪噴氣發(fā)動機和沖壓發(fā)動機的組合動力[20]。

目前，歐洲正在研發(fā)的TBCC源于2005年制定的LAPCAT計劃。TBCC的研究采用預冷渦扇沖壓組合形式，目標為氫燃料馬赫數(shù)5巡航，煤油燃料馬赫數(shù)4.5巡航的可重復使用飛行器，可載乘客200人～300人[21]。

日本從1989年開始實施Hypr 90計劃，其中的Hypr 90-C項目主要為了驗證馬赫數(shù)在2.5～3之間渦扇發(fā)動機與沖壓發(fā)動機模態(tài)轉換的可行性。其渦扇部分進行了地面、高空試驗和整機試驗，結果表明其具有工程可實現(xiàn)性。此外，吸氣式渦輪沖壓膨脹循環(huán)(ATREX)項目由日本航空航天科學研究所聯(lián)合IHI等幾家公司共同開展，其發(fā)動機可用作高超聲速飛行器或兩級入軌可往返式空天飛機的推進系統(tǒng)[22]。

1.2 核聚變動力推進

核聚變動力推進技術是通過在火箭上設置核聚變反應堆，利用聚變反應產(chǎn)生的高能噴氣產(chǎn)生推力的新型推進技術。

核聚變反應堆一般采用托克馬克裝置，燃料被限制在磁場中以驅動核聚變。受限于裝置的較大質量，目前尚難以應用于火箭推進。慣性約束核聚變作為聚變的另一種觸發(fā)方法，是通過高能激光束替代磁場，實現(xiàn)核聚變推進的一種可行路徑。

截至目前，美國空間推進技術公司(MSNW)已經(jīng)完成核聚變推進技術物理原理的實驗室驗證工作，正在積極推進其在2030年的應用，表3給出了該公司對核聚變推進技術的研究概況。

表3 核聚變推進技術的研究概況[23]

1.3 離子推進

離子推進器是利用強大的電磁場使離子體加速，通過尾部噴出高速的離子束實現(xiàn)向前推進。它所提供的推動力相對較弱，但只要工作性能長期保持穩(wěn)定，最終能把太空飛船的速度加速到足夠大。目前，相關技術已經(jīng)應用到日本的“隼鳥”太空探測器和歐洲的“智能1號”太空飛船上[24]。

可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)最有希望成為該類型推進器技術在未來的代表，由美國艾德-阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket)研發(fā)，表4給出了該公司對離子推進技術的研究概況。

表4 可變比沖磁等離子體火箭的研究概況[24]

國內的實踐 9 號衛(wèi)星對多種電推進技術方案的正確性、在軌工作性能、與航天器的相容性以及長期在軌工作能力進行了成功驗證，我國全電推進系統(tǒng)已經(jīng)初步具備在軌應用能力。航天科技五院502所在2016年對外展示了新一代離子推進裝置，可廣泛應用于我國新一代全電推進通信衛(wèi)星平臺，性價比、載荷比達到或略優(yōu)于國外同類衛(wèi)星水平[25]。

1.4 激光推進

激光推進通過拋物面反向鏡聚焦高能激光，將工作氣體加熱膨脹從而產(chǎn)生推力。

相比于廣泛應用的化學推進方法，激光推進的顯著特點是無需攜帶燃料，飛行器在大氣層內工作時，只需加熱空氣；飛出大氣層后，也只需要較少的工質，從而有效降低發(fā)射單價，提高有效載荷(約15%以上)。激光推進技術在近地軌道的小衛(wèi)星發(fā)射、太空碎片清除、衛(wèi)星姿控系統(tǒng)等方面都有廣闊的應用前景。

激光推進也存在一些尚未解決的難題：1)受現(xiàn)有激光器制作技術的約束，現(xiàn)有的激光器平均功率還較低，最高只能達到105W量級，很難將激光器功率大幅提高(需要106W量級)；2)在大氣環(huán)境中，激光遠距離傳輸時，受到大氣吸收、激光發(fā)散角等因素的影響，激光能量的損耗比較嚴重，光束質量也會下降很多。

從20世紀60年代開始，激光推進技術的良好應用前景使美國、俄羅斯、德國等國開始了相關研究。

近年來，隨著強激光技術的發(fā)展，激光推進技術的研究不斷涌現(xiàn)，表5分析了主要的研究方向。

表5 激光推進技術的研究方向[26]

目前，美國、俄羅斯等已經(jīng)提出了激光推進裝置的具體方案，開始了激光飛船的研制工作，并視之為優(yōu)先發(fā)展目標。隨著對大功率激光器研制的持續(xù)投入，2020年后將有望采用激光推進技術將百千克級的小衛(wèi)星送入軌道。

2012年12月，激光推進及其應用國家重點實驗室在裝備指揮技術學院揭牌成立，標志著中國已邁出探索新型高效航空航天推進技術研究的堅實步伐。實驗室主要開展激光推進應用基礎、等離子體流動控制與推進技術、推進流場測試和診斷技術等方面的研究。

1.5 核子脈沖推進

核子脈沖推進技術的基本思想是在推進火箭的尾部定期拋出一個核彈，以裂變反應作為推動力的來源。這一設想是1955年美國國防部高級研究計劃署在代號為“獵戶座計劃”中提出的[27]。

該計劃的目標是研究一種適合快速星際旅行的推進方案，推進火箭被設計成一個巨大的減震器，而且有厚重的輻射屏蔽用于保護乘客的安全。從理論上講，核彈動力飛船速度可以達到10%的光速，以這樣的速度到達最近的恒星可能需要40a。由于此方案可能對大氣層造成嚴重的輻射問題，該計劃在20世紀60年代未能真正實施。

1.6 太陽帆推進

太陽帆推進通過在航天器上裝載面積大且質量小的薄膜型太陽帆對太陽光進行反射。由于光會對照射物體表面產(chǎn)生壓力作用，因而可以獲得源源不斷的推進力。這一技術完全不需要消耗任何化學燃料和工作介質，僅需太陽光即可實現(xiàn)長距離空間飛行。太陽帆在整個軌道上能夠獲得連續(xù)不斷的推力，令其持續(xù)加速，速度可達93km/s，這是目前最快航天器速度的5～7倍。

2010年11月，NASA發(fā)射了FASTSAT(快速、經(jīng)濟、科學和技術衛(wèi)星)，通過衛(wèi)星上裝載的P-POD在軌衛(wèi)星彈射裝置，嘗試在近地軌道處釋放納米帆-D小型太陽帆航天器納米帆-D(Nano Sail-D)，2011年1月20日，納米帆-D成功與母星脫離，完成了面積為29.29m2的小型太陽帆展開，帆面展開過程僅耗時5s，成為首個進入地球近地軌道飛行的太陽帆航天器[28]。

美國新千年計劃(NMP)太空技術5(ST5)任務設計了一種利用自旋穩(wěn)定的方形太陽帆航天器，該任務主要目的是對太陽活動尤其是大型太陽風暴進行監(jiān)測預警，該計劃設計通過反作用噴管使太陽帆繞中心對稱軸自旋，依靠陀螺自旋的定軸穩(wěn)定性實現(xiàn)對日單軸穩(wěn)定定向[29]。

NMP太空技術7(ST7)飛行驗證實驗設計了一種由4根從中心發(fā)散并展開的結構支撐桿和4面等腰直角三角形太陽帆膜組成的太陽帆航天器，并提出可利用電機驅動裝有二軸萬向節(jié)的控制桿對航天器進行姿態(tài)控制，這一構形的太陽帆航天器是目前國內外太陽帆研究的典型結構[30]。

2010年5月，日本成功發(fā)射IKAROS小型太陽帆試驗飛船，帆面由厚度僅為0.0075mm、質量約15kg的聚酰亞胺樹脂制成，外形是一個 14m長的正方形。目前，該飛船已飛過金星[31]。日本計劃在10a內再發(fā)射一艘太陽帆飛船，將綜合太陽帆和離子推進，并飛到木星[32]。

1.7 磁場帆推進

磁場帆推進裝置的推力由太陽風提供，通過在飛行器周圍制造一個與太陽風磁場相斥的磁場，利用排斥力推動飛行器。“太空蛛網(wǎng)”與之類似，通過在飛行器周圍制造一個帶正電的電網(wǎng)，利用電網(wǎng)與太陽風中的大量陽離子之間的相斥作用來產(chǎn)生推力。磁場帆、“太空蛛網(wǎng)”均有使飛行器變軌甚至飛離行星際空間的潛在應用前景。

與太陽帆推進相同，磁場帆也不適合恒星之間的旅行：當遠離太陽時，太陽風強度會急劇下降。

1.8 布薩德噴氣推進

為實現(xiàn)更快、更遠的目標，火箭上必須攜帶更多的燃料，更多的燃料必然會增加火箭的質量，進而減小推進力。物理學家羅伯特-布薩德在1960年提出了一種噴氣式引擎，旨在解決這一難題。

布薩德噴氣推進與核聚變推進的原理相同，但無需攜帶大量的核燃料。布薩德噴氣推進先將太空中的氫物質電離，然后利用強大磁場將這些氫離子吸收，并作為燃料。與核聚變推進相比，布薩德噴氣推進不需要攜帶反應堆，但對磁場的要求是一個顯著問題：星際空間中氫物質較少，因此需要足夠大的磁場強度。此外，飛行器必須按既定軌道飛行,而這將增加星際返程的困難。目前,該推進技術還停留在設想階段。

1.9 反物質推進

反物質推進被看作是恒星際航行中極有前途的方式，其原理是根據(jù)相對論能量定律，即物質和能量不僅聯(lián)系，而且質量和能量不可分割，質量可以全部轉化為動能。由此，利用物質-反物質湮沒反應能把質量全部轉變成動能，因此最大限度地發(fā)揮了物質的潛能。如正電子和電子結合湮沒產(chǎn)生兩個或多個光子，質子和反質子結合湮沒產(chǎn)生兩個或多個介子，這些帶電粒子在強電場作用下以極高的速度噴射，其噴氣速度等于或接近光速，從而產(chǎn)生推力。它發(fā)出的能量是核聚變能的300倍，而且“湮沒”效應是自然發(fā)生的，不需要大而復雜的反應堆設備。應用反物質發(fā)動機把一艘質量為1000kg的飛船加速到0.1倍光速，經(jīng)計算只需9000g反物質燃料[35]。

目前，該推進技術還停留在設想階段，現(xiàn)代科學技術尚未解決大量反物質的生產(chǎn)和儲存問題。

2 工程應用前景分析

綜合本文對組合動力裝置、核聚變推進動力、離子推進、激光推進、核子脈沖推進、太陽帆推進、磁力帆推進、布薩德噴氣推進、反物質推進等先進推進技術的調研結果，表6從所處階段、研究基礎、技術限制等方面對各種先進推進技術(或組合)的工程應用前景進行了分析，給出了總體評價，并對應用前景相對較強的組合動力裝置、核聚變動力推進、離子推進裝進行詳細分析。

表6 先進推進技術的應用前景分析

2.1 組合動力裝置

組合動力裝置可以充分發(fā)揮不同類型動力裝置在各自工作范圍內的優(yōu)勢，具有工作范圍寬、平均比沖高的優(yōu)點，因此國內外進行了大量的數(shù)值仿真和地面、飛行試驗研究，具有相對最高的可行性。近年來，在X-43A、X-51A的近10次飛行試驗中，攻關并驗證了氫燃料及碳氫燃料的超聲速燃燒、發(fā)動機主動熱防護、氣動/推進一體化設計等前沿技術，為組合動力裝置的應用及突破奠定了堅實的基礎；同時，組合動力裝置一般將火箭發(fā)動機、渦輪發(fā)動機等與沖壓發(fā)動機有機結合，近年來基于高超聲速飛行器、天地往返動力裝置的應用牽引，國外提出了多個富有創(chuàng)新性的技術方案路線，包括基于液化空氣循環(huán)發(fā)動機的HOTOL空天飛機方案、基于吸氣式火箭發(fā)動機的復合預冷組合循環(huán)發(fā)動機SABRE方案、高超聲速吸氣式武器概念等，創(chuàng)新性方案的提出推動組合動力裝置進入到更加快速發(fā)展的階段。此外，我國也提出了基于高超聲速飛行器的組合動力裝置方案，并已經(jīng)開展了多次飛行試驗。

可以看出，組合動力裝置具有堅實的技術基礎和豐富的實現(xiàn)手段，是目前可行性極強、應用范圍廣闊的先進推進技術。

2.2 核聚變動力推進

核聚變動力推進受限于受控核聚變反應的研究難題，短期內無法應用到推進裝置的動力系統(tǒng)設計中。美國已經(jīng)進行了核聚變技術驅動火箭的實驗室原理性驗證，并將其作為2030年火星載人計劃的可行方案之一，從而在約90d內實現(xiàn)地球到火星的飛行。

可以看出，核聚變動力推進具有推力大、比沖高等顯著優(yōu)點，在未來深空探測、載人宇宙飛行和空間運輸中將具有豐富的應用空間。

2.3 離子推進

離子推進作為電推進技術的典型代表，具有高比沖、低成本、長壽命等優(yōu)點。搭載離子推進系統(tǒng)的美國黎明號在軌運行已超過10a，并借助離子推進系統(tǒng)到達了谷神星軌道。我國的離子推進系統(tǒng)已經(jīng)初步具備在軌應用能力，新一代離子推進裝置可廣泛應用于通信衛(wèi)星平臺，并在持續(xù)優(yōu)化推進裝置的性價比、載荷比等重要指標。

可以看出，國內外針對離子推進裝置均進行了大量研究，并在空間推進領域得到了廣泛應用，因此具有較強的可行性，如果推力進一步提升，將有望得到更為廣泛的應用。

3 國外研制對我國先進推進技術發(fā)展的啟示

(1)先進推進技術具有重要的戰(zhàn)略意義，需要明確長期技術發(fā)展路線

傳統(tǒng)的化學推進火箭在功能性、安全性和可靠性上尚能滿足現(xiàn)有的發(fā)射任務，但在適應未來航天運輸系統(tǒng)運載能力、發(fā)射成本及周期的要求等特定層面需求上仍存在一定不足。

鑒于此，國外從20世紀60年代開始就通過可重復使用航天運輸計劃、航天運輸班機計劃等進行持續(xù)牽引，開展了組合動力裝置、核聚變動力推進、離子推進等為代表的多項先進推進技術的研究。先進推進技術的前瞻性和復雜性導致其研究周期很長。分析國外的研制歷程，政府、軍方在確認研究的應用前景后，均制定了包括概念設想、方案設計、地面試驗、飛行試驗等在內的全周期研制流程發(fā)展路線圖。通過多個項目對特定領域的研究進行了跨代的持續(xù)支持，充分利用了早期堅實的理論研究基礎，并通過試驗不斷加深認識，從而使得眾多項目由最初的概念設想直至多次飛行(搭載)試驗的成功驗證，收到了良好的效果。因此，我國在先進推進技術的研究中，需要建立長期發(fā)展規(guī)劃，明確發(fā)展路線，從而推動關鍵技術的漸進突破。

(2)強調基礎關鍵技術研究、地面試驗與研究性飛行試驗結合的方式逐步推進關鍵技術攻關

先進推進技術復雜程度高、難度大。以組合動力裝置為例，涉及氣動/推進一體化、高效熱防護、輕質結構與材料、超聲速燃燒、大范圍變工況火箭、高速渦輪等多項前沿技術。雖然美國目前的某些項目前景并不明朗，甚至一些項目試驗經(jīng)歷了失敗。但飛行器在試飛中已經(jīng)得到了不斷改進，并且積累了大量數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗。NASP計劃之后，美國更加注重關鍵技術的研究和突破，X-43A的3次飛行驗證了氣動/推進一體化設計、氫燃料超聲速燃燒等關鍵技術；X-51A的4次飛行驗證了碳氫燃料超聲速燃燒、發(fā)動機主動熱防護等關鍵技術，為組合動力技術的突破和應用奠定了技術基礎。通過各次飛行試驗的逐步遞進，推動了部分關鍵技術的突破。

(3)借鑒美國在研究過程中的經(jīng)驗，強化CFD在技術發(fā)展中的作用

美國對先進推進技術發(fā)展的經(jīng)驗可以作為我們研究的良好借鑒和指導。以組合動力裝置的研究為例，考慮到地面及飛行試驗的復雜性，美國在組合動力飛行器試驗的同時開展了大量CFD仿真計算，通過對高超聲速條件下的燃燒機理進行大量CFD研究，給出了燃燒室結構的優(yōu)化方案，從而進一步指導燃燒室結構優(yōu)化及試驗方案?？紤]到我國在先進推進技術的研究現(xiàn)狀，也應該進一步強化CFD技術的作用，以此輔助和推動先進推進裝置系統(tǒng)方案的深入研究。

(4)以工程應用為強力牽引，不斷提升先進推進方案的技術成熟度

當前，以美國為代表的各國以載人火星任務、快速星際旅行、航天運輸班機化、可重復使用天地往返運輸系統(tǒng)等應用背景為牽引，競相開展多個先進推進技術的方案及試驗研究。以組合動力裝置與高超聲速飛行器相結合的研制為例，該技術的基本原理清晰，地面試驗及飛行驗證基礎較好，在發(fā)射成本、發(fā)射周期、重復使用、多次往返等應用領域有著良好前景，對未來軍事發(fā)展戰(zhàn)略、空間技術乃至武器體系產(chǎn)生重大影響，因此獲得了國外政府及軍方的強力牽引和持續(xù)支持；在該技術的研究中，不同國家根據(jù)技術儲備選擇了不同的發(fā)展路線，但均以實際工程應用為目標，不斷提升關鍵技術成熟度。依托組合動力循環(huán)技術、核聚變動力推進、離子推進等先進技術的工程應用背景，有助于明確清晰的研制目標并制定詳盡的研制計劃和時間表，從而牽引各方案技術成熟度的持續(xù)提升，最終實現(xiàn)工程應用。