國內(nèi)外超燃沖壓發(fā)動機研制及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　高超聲速飛行器飛行速度快、作戰(zhàn)半徑大、隱蔽性能好、突防能力強、攻擊精度高、作戰(zhàn)效能大，一直廣泛受到世界各軍事強國的高度重視。

　　高超聲速飛行的動力裝置主要有三種：超燃沖壓發(fā)動機、組合循環(huán)發(fā)動機(以火箭基組合循環(huán)發(fā)動機RBCC和渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機TBCC為代表)和爆震發(fā)動機。而超燃沖壓發(fā)動機因結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用速度范圍廣泛，也是馬赫數(shù)>8時唯一可用的吸氣式動力裝置，因此，成為世界各軍事大國的研究熱點。

　　超燃沖壓發(fā)動機是一種吸氣式動力裝置，一般由進氣道、隔離段、燃燒室、尾噴管四部分組成。進氣道捕獲空氣并加壓;隔離段位于進氣道與燃燒室之間，長短不一，設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)進氣道與燃燒室之間的良好匹配;燃燒室是組織超聲速氣流燃燒的地方，也稱為超聲速燃燒室;尾噴管對燃燒室來流進行膨脹并產(chǎn)生推力。

超燃沖壓發(fā)動機關(guān)鍵部件及技術(shù)

How air and fuel mix at supersonic speeds inside a scramjet engine

　　隨著技術(shù)的不斷進步，許多采用新技術(shù)的超燃沖壓發(fā)動機被提了出來，如雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機、雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機、激波引燃沖壓發(fā)動機、中心燃燒超燃沖壓發(fā)動機等。每種發(fā)動機都有各自的優(yōu)勢，同樣也存在著相應(yīng)的技術(shù)難題。以上幾種沖壓發(fā)動機雖然有各自的優(yōu)點，但是不可否認(rèn)的是它的低速性能差，不能自啟動。為了解決這個問題，一種綜合燃?xì)鉁u輪發(fā)動機和沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點的新概念發(fā)動機——旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動機被提出并加以研究。

超燃沖壓發(fā)動機主要類型

　　超燃沖壓發(fā)動機未來研發(fā)趨勢包括：飛行器和發(fā)動機的一體化設(shè)計、超燃沖壓總體技術(shù)、優(yōu)化高超聲速進氣道幾何構(gòu)型、燃燒室穩(wěn)定燃燒技術(shù)、高過載/高溫度/高強度/耐熱/輕質(zhì)材料以及提高復(fù)雜部件的制造水平和工藝。

　　下面介紹全球重點國家及地區(qū)在超燃沖壓發(fā)動機研制歷程及現(xiàn)狀。

　　美國

　　美國超燃沖壓發(fā)動機研發(fā)工作起步早，50多年的研究中取得許多重要成果，處于世界領(lǐng)先地位。

美國超燃沖壓發(fā)動機研制進程及成果

　　Hyper-X是NASA重點實施的高超聲速推進計劃，目的是研究有實用價值的超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)和機體一體化設(shè)計技術(shù)。2001年6月，X-43A第一次試飛失敗;2004年3月27日，開始第二次試飛，創(chuàng)造了6.8馬赫的記錄。2004年11月16號，X-43A試驗機在飛行試驗中達到9.8馬赫，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

由計算機生成馬赫7下Hyper-X的流場

　　HyTech計劃由美國空軍在1995年提出，目的是通過地面試驗驗證碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動機馬赫數(shù)4～8時的可操縱性和結(jié)構(gòu)耐用性等。2013年5月，X-51A無人機飛行中啟動超燃沖壓發(fā)動機，在18300米高空加速至5.1倍音速。

X-51A Scramjet Engine Demonstrator

　　俄羅斯

　　從20世紀(jì)50年代開始，蘇聯(lián)就一直在進行超燃沖壓發(fā)動機的研究。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯主要實施了冷計劃、鷹計劃、彩虹D2計劃和鷹31計劃。

俄羅斯超燃沖壓發(fā)動機飛行試驗情況

　　鷹計劃的飛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。

　　在“彩虹-D2”計劃中，中央空氣流體動力研究院負(fù)責(zé)超燃沖壓發(fā)動機的研制，彩虹設(shè)計局負(fù)責(zé)飛行試驗器的研制。后來，德國航空航天公司、德國航空航天研究院、慕尼黑發(fā)動機渦輪聯(lián)合公司也參加了該計劃的研究，并在德國進行的試驗中取得成功。中央空氣流體動力研究院設(shè)計的超燃沖壓發(fā)動機模型進氣道呈三級斜面形狀，設(shè)計飛行馬赫數(shù)5～7。

　　“鷹-31”計劃是由圖拉耶夫聯(lián)盟設(shè)計局、火炬設(shè)計局和米格設(shè)計局聯(lián)合進行的。聯(lián)盟設(shè)計局負(fù)責(zé)研制試驗發(fā)動機，火炬設(shè)計局負(fù)責(zé)研制試飛器，而米格設(shè)計局提供“米格-31”飛機作為試驗載機?！苞?31”計劃的試飛器為C-300A地對空導(dǎo)彈系統(tǒng)中的40H6導(dǎo)彈，試驗?zāi)Ｐ褪且粋€二維亞/超燃雙模態(tài)發(fā)動機，由進氣道、燃燒室、尾噴管、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、點火裝置、燃燒穩(wěn)定系統(tǒng)和工作過程參數(shù)的測量與記錄系統(tǒng)組成，曾進行過大量的地面實驗。

　　近期俄羅斯正在進行1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。

　　歐洲

　　法國超燃沖壓發(fā)動機的研究始于20世紀(jì)60年代。60年代末建造了高超聲速風(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。90年代初開始實施PREPHA計劃，對超燃沖壓發(fā)動機進行大量試驗研究。近年，法國與俄羅斯、德國進行了大量合作，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，1997年以來，法國與德國合作開展JAPHAR計劃。2003年1月，ONERA和MBDA公司開始實施一項名為LEA的飛行試驗計劃。目前，LEA的首批次地面試驗已經(jīng)在改造后的METHYLE試驗設(shè)施上完成。

LEA flight testing sequence

　　德國在空氣動力學(xué)研究方面有著悠久的歷史。1987年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各種馬赫數(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。1990-2003年，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，最大飛行速度馬赫數(shù)6～7。

　　目前，歐洲高超聲速研究的重點集中在民用高超聲速科技計劃。下圖展示了歐洲近年來的高超聲速飛行器研究路線圖。

　　我國的沖壓發(fā)動機歷史可以追溯到1957年12月3日，國防部五院正式批復(fù)成立沖壓發(fā)動機研究室(北京動力機械研究所的前身)。經(jīng)過多年的努力，我國已形成了超聲速導(dǎo)彈和亞燃沖壓發(fā)動機的綜合研究體系，建立了超聲速沖壓發(fā)動機研制、生產(chǎn)、試驗基地，為發(fā)展高超聲速超燃沖壓發(fā)動機奠定了基礎(chǔ)。

　　超燃沖壓發(fā)動機方面，我國起步較晚。1987-1992年在863計劃“天地往返運輸系統(tǒng)”論證中，提出“以飛船起步，以空天飛機為發(fā)展方向”，進行了超聲速燃燒的初步研究。90年代初，在921工程和863計劃的推動下，航天三院31所(北京動力機械研究所)、國防科大、中航工業(yè)、中科院等國內(nèi)多家單位開始了超燃沖壓發(fā)動機預(yù)研工作，在超聲速燃料點火、穩(wěn)定燃燒、高超聲速進氣道設(shè)計、高超飛行器氣動、材料、發(fā)動機/飛行器一體化總體設(shè)計等方面都取得了進展。還建成了一批相關(guān)地面設(shè)備，如Φ1米高超聲速風(fēng)洞(4～10馬赫，中國空氣動力研究與發(fā)展中心)、Φ1米電弧風(fēng)洞(50MW，航天科技十一院)、JF-12高超聲速激波風(fēng)洞(9馬赫、3000K，中科院力學(xué)研究所)、流量100kg/s的高超聲速沖壓發(fā)動機自由射流試車臺(北京動力機械研究所))等。

　　雖然我國超燃沖壓發(fā)動機起步較晚，但由于各研究機構(gòu)與研究院所的努力攻堅以及國家的高度重視，我國在超燃沖壓發(fā)動機領(lǐng)域發(fā)展較快。2015年，在習(xí)主席訪美前夕，中國航空學(xué)會網(wǎng)站發(fā)布我國在高超音速試飛領(lǐng)域的突破。國防科技大學(xué)完成了國家重點專項的高超聲速飛行器項目，并組織完成飛行試驗。

　　國外重點國家始終將高超聲速飛行技術(shù)始終作為國家航空航天重要的發(fā)展方向，并將超燃沖壓發(fā)動機作為高超聲速飛行器動力系統(tǒng)的發(fā)展重點，展開了一系列與具體應(yīng)用密切相關(guān)的技術(shù)方案。并且為降低技術(shù)風(fēng)險，采取多方案并行模式。如美國在DARPA、NASA、海軍、空軍開展各自的超燃沖壓發(fā)動機研發(fā)的同時，為降低技術(shù)風(fēng)險，還分別進行了并行技術(shù)方案研究工作。2001年，ARRMD計劃因普惠公司遇到在超聲速氣流中無法維持穩(wěn)定燃燒的重大難題而終止后，美國空軍和海軍不但分別開展了技術(shù)方案完全不同的EFSEFD和Hyfly項目，還分別開展Robust Scramjet計劃和RATTLRS計劃作為降低難度的備份方案。

　　通過對國外超燃沖壓發(fā)動機發(fā)展歷程特點的分析，對于我國超燃沖壓發(fā)動機發(fā)展問題，得出以下啟示：

　　統(tǒng)籌規(guī)劃，充分重視頂層設(shè)計：超燃沖壓發(fā)動機研制工作研發(fā)投入大、風(fēng)險高，卻對國家航空航天技術(shù)整體發(fā)展和戰(zhàn)略利益有巨大作用。美國超燃沖壓發(fā)動機幾次起落均源于國家戰(zhàn)略的重大調(diào)整。并且超燃沖壓發(fā)動機研制過程中，不僅僅只涉及到超燃沖壓發(fā)動機本身，并且機體/彈體的設(shè)計很大程度上影響了超燃沖壓發(fā)動機的性能，還涉及到其與機體/彈體的一體化問題。因而在超燃沖壓發(fā)動機研制過程中，需要重視統(tǒng)籌規(guī)劃以及頂層設(shè)計。

　　持之以恒，確保技術(shù)延續(xù)繼承：自“航天飛機”項目完成之后，美國4個大型航天項目(NASP、X-33、ISTP和星座計劃)都未獲得圓滿成功。這些計劃持續(xù)時間從5年到9年不等，缺乏連貫性，NASP計劃和ISTP計劃是吸氣式動力為主，而X-33和星座計劃，則采用了相對成熟的火箭動力。這些計劃的交錯進行，無疑對美國高超聲速技術(shù)持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。可見，隨著國際國內(nèi)環(huán)境的改變以及科學(xué)技術(shù)的進步，發(fā)展戰(zhàn)略可能也應(yīng)該及時調(diào)整，但由于超燃沖壓發(fā)動機是事關(guān)國家未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)給予持續(xù)不斷的支持。如此，方能不斷促進超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的進步。否則，容易出現(xiàn)各種前進、停止再前進的情況。并且超燃沖壓發(fā)動機的研制工作，需要數(shù)十年的不斷努力，需要數(shù)十年的支持，并需做好技術(shù)延續(xù)繼承工作。

　　加強基礎(chǔ)，注重關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)：雖然超燃沖壓發(fā)動機的研制工作，在超音速條件下碳?xì)淙剂系狞c火與穩(wěn)定燃燒、吸熱型碳?xì)淙剂霞夹g(shù)、發(fā)動機產(chǎn)生足夠推力、超燃下的壓力振蕩等技術(shù)難題方面陸續(xù)取得重大進展。但是，在進氣道、發(fā)動機啟動與模態(tài)轉(zhuǎn)換等方面，尚待繼續(xù)研究?；A(chǔ)研究以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，仍然非常重要。