組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展方向及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 費(fèi)王華 申 亮 郭鵬飛 張 永

組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展方向及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 費(fèi)王華 申 亮 郭鵬飛 張 永

目前，推動(dòng)軍民融合深度發(fā)展已成為我國(guó)深化國(guó)防和軍隊(duì)改革的重要任務(wù)之一，軍民融合發(fā)展已成為我國(guó)重要的國(guó)家戰(zhàn)略，軍民融合發(fā)展的重要性已從戰(zhàn)略高度顯現(xiàn)出來(lái)。組合循環(huán)動(dòng)力技術(shù)是將兩種或兩種以上的單一動(dòng)力類型有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，獲得突出綜合性能的動(dòng)力技術(shù)，可顯著拓寬飛行器的飛行包線，為未來(lái)先進(jìn)航天器提供低成本、高性能的動(dòng)力系統(tǒng)方案，可用于未來(lái)天地往返飛行器、導(dǎo)彈武器、高超聲速飛行器等軍事領(lǐng)域，也可滿足人類未來(lái)遨游太空、商用旅游、超聲速民用飛行等需要，具有很強(qiáng)的軍民兩用屬性。本文通過(guò)對(duì)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)研，分析了組合動(dòng)力飛行器技術(shù)的軍民融合發(fā)展方向及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了加強(qiáng)我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合發(fā)展的相關(guān)建議。

組合動(dòng)力飛行器技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

一、國(guó)外發(fā)展情況

單一的吸氣式動(dòng)力受到飛行速域、空域的嚴(yán)格限制，如渦噴動(dòng)力一般僅適用于3Ma速度以下，而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)亞聲速、跨聲速飛行，而吸氣式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)僅適合在稠密的大氣層內(nèi)工作等。因此，為實(shí)現(xiàn)跨空域、寬速域飛行，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家開(kāi)展了組合動(dòng)力飛行器技術(shù)的研究工作，取得了大量的研究成果，并逐漸向天地往返飛行器和高超聲速飛行器方向發(fā)展應(yīng)用，其中間技術(shù)成果也向高超聲速導(dǎo)彈武器方向轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

在組合動(dòng)力天地往返飛行器技術(shù)方面，20世紀(jì)80年代，基于航天飛機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)提出了國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃（NASP）及X-30單級(jí)入軌飛行器研制計(jì)劃，對(duì)多種火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（RBCC）開(kāi)展了大量研究，研究重點(diǎn)是超燃沖壓動(dòng)力；英國(guó)提出了“HOTOL”單級(jí)入軌空天飛機(jī)計(jì)劃，以一種新型吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)；德國(guó)提出了“桑格爾”兩級(jí)入軌運(yùn)載器方案，其一子級(jí)采用渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC），二子級(jí)采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。NASP計(jì)劃之后，美國(guó)主要聚焦于組合動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)及制約組合動(dòng)力應(yīng)用的超燃技術(shù)的研究，提出了Hyper-X計(jì)劃，并從2001年至2004年完成了3次X-43A飛行試驗(yàn)。英國(guó)在“HOTOL”計(jì)劃終止后，在其基礎(chǔ)上成立了英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，開(kāi)展了復(fù)合預(yù)冷吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）及單級(jí)入軌運(yùn)載器（SKYLON）研究，目前處于關(guān)鍵技術(shù)研究階段。2016年9月，美國(guó)公布了2個(gè)基于SABRE的兩級(jí)入軌應(yīng)用概念方案。

在組合動(dòng)力高超聲速飛行器方面，20世紀(jì)60年代初，美國(guó)提出了高空高速戰(zhàn)略偵察/轟炸機(jī)方案，其偵察機(jī)型最終發(fā)展為SR-71高速偵察機(jī)，SR-71采用的J58發(fā)動(dòng)機(jī)為渦輪動(dòng)力與亞燃沖壓動(dòng)力的串聯(lián)TBCC動(dòng)力系統(tǒng)。21世紀(jì)初，美國(guó)提出了FALCON計(jì)劃及HTV-3X驗(yàn)證機(jī)，HTV-3X采用并聯(lián)TBCC技術(shù)，最大速度可達(dá)6Ma以上。在此基礎(chǔ)上，2007年，洛克希德?馬丁公司提出SR-72飛行器概念，也可用作ISR（情報(bào)、監(jiān)視、偵察），甚至打擊任務(wù)。2013年11月，洛?馬公司透露，其“臭鼬工廠”正在研制SR-72飛行器，有望在2030年服役。

在中間成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面，美國(guó)提出了“快速全球打擊（PGS）”體系，2007年9月至2010年8月，基于雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的HyFly導(dǎo)彈開(kāi)展了3次帶動(dòng)力飛行試驗(yàn)；2010年5月至2013年5月，美國(guó)先后完成了4次X-51A飛行試驗(yàn)；2014年，在X-51A及HyFly的技術(shù)基礎(chǔ)上，美國(guó)提出了“高超聲速吸氣式武器概念（HAWC）”計(jì)劃，推進(jìn)吸氣式高超聲速飛行器的武器化。俄羅斯圍繞“冷”計(jì)劃，1991年至1998年先后完成了5次超燃動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)飛行試驗(yàn)，并于2011年啟動(dòng)了“鋯石”導(dǎo)彈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進(jìn)組合動(dòng)力技術(shù)研究工作。

二、國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

當(dāng)前，我國(guó)各軍工企業(yè)、高校，以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)紛紛瞄準(zhǔn)組合動(dòng)力飛行器未來(lái)應(yīng)用方向，開(kāi)展核心關(guān)鍵技術(shù)前期攻關(guān)和研究布局，力圖在后續(xù)發(fā)展中占得先機(jī)，同時(shí)，加強(qiáng)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域的成果轉(zhuǎn)化研究。

三、發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究情況的分析可以看出，組合動(dòng)力飛行器技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)及趨勢(shì)：

（1）亞燃、超燃沖壓動(dòng)力是基礎(chǔ)，國(guó)外集中精力突破相關(guān)核心技術(shù)。NASP計(jì)劃后，美國(guó)聚焦核心關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)X-43A、X-51A飛行試驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓動(dòng)力技術(shù)的初步突破。

（2）受應(yīng)用方向、傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)積累等方面的影響，不同國(guó)家在組合動(dòng)力技術(shù)方面形成了不同的技術(shù)發(fā)展路線。例如，美國(guó)聚焦于RBCC、TBCC兩類組合動(dòng)力技術(shù)及其應(yīng)用研究；英國(guó)則開(kāi)展了復(fù)合預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)及其單級(jí)入軌運(yùn)載器的研究。

（3）在瞄準(zhǔn)天地往返終極應(yīng)用目標(biāo)開(kāi)展技術(shù)研究的同時(shí)，根據(jù)不同的應(yīng)用背景逐步開(kāi)展中間成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

（4）在開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，注重技術(shù)研究和試驗(yàn)方法的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)通過(guò)飛行試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和考核。

（5）國(guó)外組合動(dòng)力飛行器技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，部分技術(shù)已經(jīng)具備了工程應(yīng)用條件，特別是超燃動(dòng)力技術(shù)已實(shí)現(xiàn)初步突破，具備了開(kāi)展轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究的條件。

組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展方向初步分析

一、組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展方向

（一）天地往返飛行器軍民融合發(fā)展方向

組合動(dòng)力天地往返飛行器能夠從普通機(jī)場(chǎng)起飛和著陸，可實(shí)現(xiàn)低成本、常規(guī)化、靈活可靠的航天運(yùn)輸，具有軍事上和民用上的雙重意義。目前RBCC、TBCC和復(fù)合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)均可作為天地往返飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，但功能各有不同。RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)具有零速啟動(dòng)和入軌能力，可作為兩級(jí)入軌系統(tǒng)的第一級(jí)或第二級(jí)，是實(shí)現(xiàn)單級(jí)/兩級(jí)入軌天地往返飛行的理想動(dòng)力系統(tǒng)選擇之一。TBCC能夠利用空氣中的氧氣自主起飛和著陸，目前主要用作天地往返飛行器的一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)。復(fù)合預(yù)冷循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是單級(jí)入軌天地往返飛行器較為理想的動(dòng)力系統(tǒng)之一。組合動(dòng)力天地往返飛行器的軍民融合發(fā)展方向主要包括：

（1）在軍用方面，組合動(dòng)力飛行器可作為單級(jí)入軌天地往返飛行器，也可作為兩級(jí)入軌飛行器的第一級(jí)或第二級(jí)運(yùn)載器使用，可用于滿足軍用航天運(yùn)輸、軍事偵察、軍事作戰(zhàn)等需求。

（2）在民用方面，組合動(dòng)力飛行器可作為民用天地往返飛行器開(kāi)展太空探索，也可作為亞軌道飛行器用于太空旅游和商用航天運(yùn)輸?shù)?。此外，其在氣?dòng)力、氣動(dòng)熱、結(jié)構(gòu)與材料、組合動(dòng)力等方面取得的關(guān)鍵技術(shù)成果還可應(yīng)用于民用技術(shù)基礎(chǔ)研究。

（二）高超聲速飛行器軍民融合發(fā)展方向

RBCC和TBCC是組合動(dòng)力高超聲速飛行器較為理想的動(dòng)力形式。由于RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線寬，是察打一體高超聲速飛行器、強(qiáng)機(jī)動(dòng)武器等優(yōu)選的動(dòng)力之一。TBCC動(dòng)力系統(tǒng)能夠充分利用空氣中的氧氣，實(shí)現(xiàn)水平起降，是高超聲速飛行器、遠(yuǎn)距離高超聲速投送平臺(tái)較為理想的動(dòng)力類型。其軍民融合發(fā)展方向主要包括：

（1）在軍用方面，可作為高超聲速察打一體飛行器，應(yīng)用于遠(yuǎn)程情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）系統(tǒng)；可作為遠(yuǎn)距離投送平臺(tái)，滿足軍事作戰(zhàn)、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)溶娛滦枨蟆?/p>

（2）在民用方面，可發(fā)展成為組合動(dòng)力高超聲速飛機(jī)，用于民用航空飛行；可作為民用高超聲速飛行器，用于地震救災(zāi)、火災(zāi)救援等方面。此外，其關(guān)鍵技術(shù)成果還可應(yīng)用于民用技術(shù)基礎(chǔ)研究。

（三）中間成果轉(zhuǎn)化軍民融合發(fā)展方向

在中間成果轉(zhuǎn)化方面，組合動(dòng)力飛行器的主要發(fā)展方向?yàn)檐娛掠猛?，利用組合動(dòng)力寬包線的綜合性能優(yōu)勢(shì)，可發(fā)展為各型作戰(zhàn)武器。例如，RBCC高超聲速導(dǎo)彈可發(fā)揮寬包線、強(qiáng)機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，在飛行過(guò)程中短時(shí)采用機(jī)動(dòng)飛行彈道模式，降低RBCC導(dǎo)彈被探測(cè)和攔截的難度，大幅提升突防能力。TBCC是巡航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置的理想選擇之一，其飛行速度可快慢兼顧，在30km高度以下可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)變軌，既克服了目前以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的亞音速巡航導(dǎo)彈易被攔截的不足，又避免了以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的巡航導(dǎo)彈難以機(jī)動(dòng)和控制的問(wèn)題。

二、組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各相關(guān)研究單位結(jié)合自身的技術(shù)基礎(chǔ)和條件提出了基于RBCC、TBCC、復(fù)合預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)的組合動(dòng)力飛行器方案，并開(kāi)展了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究和軍民兩用轉(zhuǎn)化探索研究。綜合來(lái)看，無(wú)論基于哪種動(dòng)力形式的組合動(dòng)力飛行器，其技術(shù)均非常復(fù)雜，各技術(shù)間的耦合性較強(qiáng)，需突破總體與組合動(dòng)力強(qiáng)耦合匹配設(shè)計(jì)、寬包線氣動(dòng)與推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)、多約束多模態(tài)彈道制導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、跨域飛行多模態(tài)強(qiáng)穩(wěn)定姿態(tài)控制、高性能組合動(dòng)力、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與材料、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，各種動(dòng)力形式在應(yīng)用過(guò)程中也存在各自的技術(shù)瓶頸，如RBCC在低速段引射模態(tài)推力增益不足、TBCC的“推力鴻溝”及死重等問(wèn)題、復(fù)合預(yù)冷循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷器技術(shù)等。

加強(qiáng)我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合發(fā)展的建議

通過(guò)對(duì)國(guó)外組合動(dòng)力飛行器技術(shù)發(fā)展情況和特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，建議從以下5個(gè)方面推動(dòng)我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合發(fā)展。

一、頂層謀劃，制定組合動(dòng)力飛行器技術(shù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合發(fā)展體系

美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本均提前布局組合動(dòng)力飛行器領(lǐng)域，形成了國(guó)家層面的技術(shù)發(fā)展路線，并持續(xù)加大投入，力求通過(guò)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)的突破，使自身在航天技術(shù)前沿領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。因此，從國(guó)家戰(zhàn)略和安全出發(fā)，我國(guó)也應(yīng)提前布局組合動(dòng)力飛行器技術(shù)，及時(shí)站位，搶占領(lǐng)域發(fā)展制高點(diǎn)。在具體實(shí)施過(guò)程中，首先應(yīng)制定頂層規(guī)劃，結(jié)合軍、民領(lǐng)域?qū)M合動(dòng)力飛行器技術(shù)的發(fā)展需求，制定符合我國(guó)國(guó)情的組合動(dòng)力飛行器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展路線，逐步建立我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合發(fā)展體系，循序漸進(jìn)地推動(dòng)組合動(dòng)力飛行器軍民融合發(fā)展，確保技術(shù)方向正確，技術(shù)途徑可行。

二、創(chuàng)新管理模式，建立快速吸收軍、民優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量和資本投入的體制機(jī)制，為組合動(dòng)力飛行器技術(shù)軍民融合快速發(fā)展提供保障

在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略等政策環(huán)境支持下，我國(guó)要充分借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家在組合動(dòng)力飛行器技術(shù)領(lǐng)域采取的創(chuàng)新發(fā)展模式和手段，探索更加積極、包容、合作的發(fā)展模式，廣泛吸納國(guó)內(nèi)具有研發(fā)優(yōu)勢(shì)的軍工企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)，在政策和經(jīng)費(fèi)上給予支持，鼓勵(lì)民營(yíng)資本參與相關(guān)技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)資金合理利用，產(chǎn)生協(xié)同帶動(dòng)效應(yīng)，共同推動(dòng)我國(guó)組合動(dòng)力飛行器關(guān)鍵技術(shù)研究取得突破。

三、軍民深度合作和資源共享，建立國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位的技術(shù)聯(lián)合體，形成國(guó)家整體力量，共同推進(jìn)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)發(fā)展

組合動(dòng)力飛行器技術(shù)涉及的技術(shù)面廣，技術(shù)復(fù)雜程度高，技術(shù)突破難度大，建議從國(guó)家層面創(chuàng)造條件，集合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位技術(shù)力量，形成較為牢固的、具有一定綜合優(yōu)勢(shì)的技術(shù)研究聯(lián)合體，逐步形成組合動(dòng)力飛行器領(lǐng)域的“國(guó)家隊(duì)”，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)中掌握主動(dòng)。

四、引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，激發(fā)研究潛力，逐步完善我國(guó)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)研發(fā)機(jī)制和產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式

借鑒國(guó)外成熟的發(fā)展模式，在建立聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制的同時(shí)，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，促進(jìn)軍工企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)、高校及研究機(jī)構(gòu)之間形成良性的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步激發(fā)組合動(dòng)力飛行器技術(shù)領(lǐng)域的研究活力，打破壟斷，優(yōu)勝劣汰，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配，促進(jìn)該領(lǐng)域高效發(fā)展。

五、充分集合軍民融合發(fā)展力量，選擇恰當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)，聚焦關(guān)鍵技術(shù)，及早形成研發(fā)及應(yīng)用成果，獲得經(jīng)濟(jì)效益

在開(kāi)展組合動(dòng)力飛行器技術(shù)研究的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合我國(guó)實(shí)際和技術(shù)基礎(chǔ)，選擇適當(dāng)?shù)念I(lǐng)域發(fā)展切入點(diǎn)，并聚焦關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)理論研究、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等多種手段加快突破制約組合動(dòng)力飛行器發(fā)展的核心技術(shù)，及早形成自主研發(fā)成果，獲得經(jīng)濟(jì)效益。