國(guó)外并聯(lián)式渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展途徑淺析

陳 博，桂 豐，李 茜，康玉東

(1.中國(guó)人民解放軍空軍裝備部，北京100843；2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

高超聲速飛行器能夠以高超聲速在稠密大氣層、臨近空間做巡航飛行和跨域飛行，具有全球快速到達(dá)、突破導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)靈敏打擊的戰(zhàn)略威懾和實(shí)戰(zhàn)能力，將對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力形式結(jié)構(gòu)上的集成和工作過程上的有機(jī)結(jié)合，使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)各自在適合自己工作的區(qū)域內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[1]，是配裝高超聲速飛行器的理想動(dòng)力。長(zhǎng)期以來，TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)一直是國(guó)外發(fā)展高超聲速飛行器的主要?jiǎng)恿π问街?，并?duì)其進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的成果。本文通過梳理以美國(guó)為代表的典型并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)計(jì)劃，分析得出了美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展途徑，以期為我國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究提供借鑒和參考。

2 并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)是由高速渦輪基和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過并排等方式組合而成，其渦輪與沖壓通道相互獨(dú)立，組合進(jìn)氣道與可調(diào)噴管部分結(jié)構(gòu)共用，如圖1所示。其中，高速渦輪基可實(shí)現(xiàn)水平起降和與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)接力，可重復(fù)使用的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)高超聲速巡航和機(jī)動(dòng)飛行。

圖1 并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of over/under TBCC engine

并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)集合了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，有著較高的比沖(圖2)和寬廣的飛行包線，可以覆蓋從地面起飛到高馬赫數(shù)巡航全包線工作的需求，具有可常規(guī)水平起降、重復(fù)使用、耐久性高、安全性好、可靠性高、可使用普通航空燃料、用途廣泛且可實(shí)現(xiàn)軍民兩用等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于雙通道相對(duì)獨(dú)立，因而研制難度相對(duì)較小，研制周期較短，可快速形成軍民兩用的組合動(dòng)力產(chǎn)品，具有很好的工程應(yīng)用前景。

圖2 不同動(dòng)力形式使用碳?xì)浜蜌淙剂系谋葲_[2]Fig.2 Specific impulse of different propulsion system using hydrocarbon and hydrogen fuel

3 并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

高超聲速飛行器要實(shí)現(xiàn)在寬廣飛行包線內(nèi)工作，對(duì)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)低速段和高速段的動(dòng)力性能提出了很高要求。對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)提供足夠好的安裝性能來滿足低速段動(dòng)力要求，同時(shí)兼顧跨聲速推力要求，保證飛行器加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的推力，以使發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器都有足夠的裕度，以便用最小的燃油消耗完成加速任務(wù)。對(duì)于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)提供足夠大的推力和長(zhǎng)壽命來滿足高速段動(dòng)力要求；同時(shí)，保證雙通道發(fā)動(dòng)機(jī)之間及其與進(jìn)排氣之間高效匹配和協(xié)同控制，以便渦輪與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)形成接力；此外，并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的能源系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及地面試驗(yàn)均面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)要滿足飛行器使用需求，必須解決以下主要技術(shù)問題：

(1)跨聲速推力不足問題。主要是指并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積大，給飛行器帶來較大阻力，不利于飛行器實(shí)現(xiàn)快速跨聲速。

(2)寬范圍高效進(jìn)排氣問題。主要是指寬范圍工作要求進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可調(diào)，且二者高效匹配與協(xié)同控制。

(3)模態(tài)轉(zhuǎn)換過程流量和推力匹配問題。主要是指模態(tài)轉(zhuǎn)換過程會(huì)面臨進(jìn)-發(fā)匹配、推力陷阱和推阻平衡等問題。

(4)能源生成與管理問題。主要是指高速飛行過程中，將存在高速高溫條件下能源生產(chǎn)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)能源與其他能源轉(zhuǎn)換等問題。

(5)高馬赫數(shù)下熱管理問題。主要是指高馬赫數(shù)飛行將面臨渦輪關(guān)機(jī)過程封存熱、成附件和外部管路熱防護(hù)、飛發(fā)熱源傳遞等問題。

(6)寬范圍可重復(fù)使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)問題。主要包括大尺寸組織燃燒、燃料噴射與混合、冷卻等問題。

(7)多動(dòng)力單元模態(tài)轉(zhuǎn)換及控制問題。主要是指不同動(dòng)力模式轉(zhuǎn)換過程中，將存在多變量之間耦合作用、不同運(yùn)行狀態(tài)控制模式無擾動(dòng)切換、不同控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)方法等問題。

(8)全尺寸TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)問題。主要是指設(shè)備氣源能力不足、試驗(yàn)方法欠缺和測(cè)試技術(shù)薄弱等問題。

梳理并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，可歸納為渦輪基技術(shù)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和組合技術(shù)等三大類，如圖3所示。其中，能源生成與管理、高馬赫數(shù)下熱管理等需要通過飛發(fā)一體化技術(shù)研究來解決。

圖3 并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要技術(shù)問題Fig.3 The main technology problems of over/under TBCC engine

4 美國(guó)典型并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目

美國(guó)上世紀(jì)50年代就開始了對(duì)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，主要圍繞高速渦輪基技術(shù)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和組合技術(shù)制定了一系列研究計(jì)劃，持續(xù)開展了大量的研究工作。

4.1 高速渦輪基技術(shù)

美國(guó)在高速渦輪基技術(shù)方面開展了革新渦輪加速器(RTA)計(jì)劃、高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證(HiSTED)計(jì)劃、遠(yuǎn)程超聲速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(STELR)計(jì)劃和射流預(yù)冷(MIPCC)計(jì)劃[3]。

4.1.1 RTA計(jì)劃

2001年，NASA、GE公司和艾利遜先進(jìn)技術(shù)發(fā)展公司開始聯(lián)合開發(fā)RTA。RTA發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)是由變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合的串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)，作為配裝兩級(jí)入軌飛行器的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)低速段動(dòng)力，研究重點(diǎn)是通過采用先進(jìn)技術(shù)發(fā)展馬赫數(shù)4.0+且維修性和操作性大大改善的推進(jìn)系統(tǒng)。

圖4 RTA發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of RTA engine

在RTA計(jì)劃中，GE公司利用了成熟的YF120發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，再輔以新的風(fēng)扇、核心驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)、加力/沖壓超級(jí)燃燒室、軸對(duì)稱噴管和可變面積旁路引射裝置(VABI)[4]。由于RTA發(fā)動(dòng)機(jī)要求在馬赫數(shù)4.0+工作時(shí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)不關(guān)機(jī)，對(duì)所有部件工作范圍和能力要求太高，技術(shù)難度太大，該計(jì)劃于2005年中止。

4.1.2 HiSTED計(jì)劃

HiSTED計(jì)劃是美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)和美國(guó)空軍在VAATE計(jì)劃下聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)研究項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證一種高馬赫數(shù)、中等壓比的短壽命渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，為多種武器平臺(tái)提供實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)4.0以上飛行的動(dòng)力，使到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間減少80%。針對(duì)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的高溫挑戰(zhàn)，HiSTED計(jì)劃重點(diǎn)突破先進(jìn)的冷卻技術(shù)[5]。

在HiSTED計(jì)劃的支持下，羅·羅公司自由工廠和威廉姆斯國(guó)際公司分別開發(fā)了各自的HiSTED驗(yàn)證機(jī)，其機(jī)型分別為XTE18/SL1(代號(hào)YJ102R)和XTE88/SL1(代號(hào) WJ38-15)。其中，WJ38-15 發(fā)動(dòng)機(jī)(圖5)在2011年的地面試驗(yàn)中完成了馬赫數(shù)2.0～2.5及馬赫數(shù)3.2下的運(yùn)轉(zhuǎn)。2013年，作為NASA并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪基，在風(fēng)洞中開展了組合動(dòng)力模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)驗(yàn)證。

圖5 WJ38-15高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.5 Williams WJ38-15 high speed turbine engine

4.1.3 STELR計(jì)劃

STELR計(jì)劃是HiSTED計(jì)劃的后續(xù)計(jì)劃，旨在為馬赫數(shù)3.0+的武器和飛行器(包括空中發(fā)射巡航導(dǎo)彈、無人飛行器等)提供動(dòng)力。在該計(jì)劃下，羅·羅公司自由工廠和威廉姆斯國(guó)際公司分別對(duì)各自的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。2015年9月，自由工廠在地面試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了以馬赫數(shù)2.0～2.5運(yùn)行2 h，后續(xù)逐步開展了馬赫數(shù)2.5～3.2的地面試驗(yàn)。STELR發(fā)動(dòng)機(jī)的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是以馬赫數(shù)3.2的速度飛行1 h，或是航程超過 3 200 km[6]。

HiSTED計(jì)劃和STELR計(jì)劃開發(fā)的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和高速雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)之間的鴻溝，搭起了亞聲速和超聲速推進(jìn)之間的橋梁[7]。

4.1.4MIPCC計(jì)劃

射流預(yù)冷技術(shù)也是擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)使用包線的重要技術(shù)手段。美國(guó)在射流預(yù)冷技術(shù)上的研發(fā)以MSE技術(shù)應(yīng)用公司的MIPCC為代表，通過在F100發(fā)動(dòng)機(jī)前加裝MIPCC系統(tǒng)開展了試驗(yàn)(圖6)。試驗(yàn)結(jié)果表明，射流預(yù)冷技術(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面的推力提高約1倍，具備將工作馬赫數(shù)擴(kuò)展至3.5的能力[8]。

圖6 F100發(fā)動(dòng)機(jī)射流預(yù)冷試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6 The MIPCC test of F100

4.2 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)高速段工作的推進(jìn)單元。典型的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃包括X-51A計(jì)劃和MSCC(中等尺寸關(guān)鍵部件)計(jì)劃等。

4.2.1 X-51A計(jì)劃

X-51A計(jì)劃由美國(guó)空軍和DARPA聯(lián)合開展，旨在通過飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性[9]。2010年5月到2013年5月，X-51A共進(jìn)行了4次飛行試驗(yàn)，并在最后一次試驗(yàn)中取得成功。驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)了210 s(含助推時(shí)間)的有動(dòng)力飛行，最大飛行速度達(dá)馬赫數(shù)5.1，飛行距離超過426 km，實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要里程碑，具備了從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用的基本條件。

4.2.2 MSCC計(jì)劃

繼X-51A計(jì)劃之后，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開始關(guān)注更大尺寸的推進(jìn)系統(tǒng)，提出了MSCC計(jì)劃，研究的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量是X-51A的10倍。其中，由AEDC負(fù)責(zé)的速度接力、加速和巡航狀態(tài)的試驗(yàn)，旨在研究第一代較大尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、操作性及熱管理，同時(shí)加深對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)物理現(xiàn)象的理解，驗(yàn)證并改進(jìn)部件設(shè)計(jì)方法、分析工具及地面試驗(yàn)技術(shù)[10]。

4.3 組合技術(shù)

組合技術(shù)主要指組合進(jìn)排氣及模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)。組合技術(shù)必須協(xié)同調(diào)節(jié)進(jìn)排氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，保障組合發(fā)動(dòng)機(jī)的推力平穩(wěn)過渡。針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)，DARPA和美國(guó)空軍實(shí)施了獵鷹組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(FaCET)、模態(tài)轉(zhuǎn)換(MoTr)和先進(jìn)全速域發(fā)動(dòng)機(jī)(AFRE)三個(gè)計(jì)劃。

4.3.1 FaCET計(jì)劃

FaCET計(jì)劃由DAPRA和美國(guó)空軍聯(lián)合發(fā)起，重點(diǎn)研究推進(jìn)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)、燃燒室技術(shù)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)。該計(jì)劃第一階段進(jìn)行了縮尺進(jìn)氣道和燃燒室等部件試驗(yàn)；第二階段于2009年3月進(jìn)行了集成縮尺進(jìn)氣道、燃燒室、噴管的自由射流試驗(yàn)(圖7)[2，11]，試驗(yàn)中盡管沒有真實(shí)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，但模擬給出了渦輪流道，為真正開展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，使并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)部件集成技術(shù)得到了初步驗(yàn)證。

圖7 FaCET計(jì)劃的并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)及自由射流試驗(yàn)Fig.7 The over/under TBCC engine in FaCET program and its freejet test

4.3.2 MoTr計(jì)劃

作為FaCET計(jì)劃的后續(xù)項(xiàng)目，2009年美國(guó)啟動(dòng)了MoTr計(jì)劃，旨在對(duì)馬赫數(shù)0～6.0的吸氣式碳?xì)淙剂贤七M(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行地面驗(yàn)證。MoTr計(jì)劃包括兩個(gè)階段，第一階段進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)改裝，并對(duì)燃料冷卻的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及燃油與控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)；第二階段進(jìn)行了縮尺試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、加工和試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了在馬赫數(shù)3.0、4.0和6.0三種試驗(yàn)條件下的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒[12]。該計(jì)劃并未完成全尺寸的地面試驗(yàn)，但為并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4.3.3 AFRE計(jì)劃

2016年8 月，DARPA正式公布了AFRE計(jì)劃的招標(biāo)預(yù)告文件，旨在研發(fā)和地面驗(yàn)證一種能在馬赫數(shù)0～5.0+范圍內(nèi)無縫工作的可重復(fù)使用、碳?xì)淙剂?、全尺寸TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)[13]。AFRE計(jì)劃是DARPA又一次試圖完成全尺寸并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)地面模態(tài)轉(zhuǎn)換演示驗(yàn)證的計(jì)劃，其第一階段進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮尺及大尺寸部件演示驗(yàn)證，第二階段進(jìn)行低速通道和高速通道的大尺寸直連和自由射流試驗(yàn)。AFRE組合發(fā)動(dòng)機(jī)組成結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 AFRE組合發(fā)動(dòng)機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of AFRE

在AFRE計(jì)劃中，DARPA明確提出采用現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方案，并采用射流預(yù)冷技術(shù)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行包線擴(kuò)展，在馬赫數(shù)1.5～3.0完成模態(tài)轉(zhuǎn)換。為提供更明確的牽引，DARPA在同步主導(dǎo)高超聲速飛行器概念研究，要求項(xiàng)目承研方將飛行器的需求整合到AFRE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，確保項(xiàng)目地面演示驗(yàn)證所研制的推進(jìn)系統(tǒng)能直接支撐未來高超聲速飛行器研制。2017年，AFRE計(jì)劃合同分別授予洛克達(dá)因公司和ATK公司，這兩家公司選擇的飛行器設(shè)計(jì)方分別為洛馬公司和波音公司。

5 美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展途徑

5.1 發(fā)展路線

通過跟蹤美國(guó)典型并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)計(jì)劃可看出，美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要分為高速渦輪基技術(shù)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和組合技術(shù)三個(gè)方面(圖9)。其中，高速渦輪基技術(shù)研究旨在拓展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)上限，提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高馬赫數(shù)工作能力，其中包括串聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(RTA計(jì)劃)、低壓比渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(HiSTED計(jì)劃和STLER計(jì)劃)及射流預(yù)冷擴(kuò)包線技術(shù)(MIPCC計(jì)劃)三種途徑；沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面，研究重點(diǎn)是拓展沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)下限，發(fā)展可與高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組合的中/大尺度沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(X-51A計(jì)劃、MSCC計(jì)劃)；通過組合技術(shù)研究(FaCET計(jì)劃、MoTr計(jì)劃和AFRE計(jì)劃)，掌握渦輪與沖壓雙通道并聯(lián)的組合進(jìn)排氣與模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用。

圖9 美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展路線圖Fig.9 Technology development approach of American over/under TBCC

5.2 技術(shù)發(fā)展分析

對(duì)于并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，目前雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無法在馬赫數(shù)4.0以下提供足夠推力，而現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作速度通常在馬赫數(shù)2.5以下，因而實(shí)現(xiàn)渦輪與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在速度上的有效接力，是研制并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)必須解決的首要問題[14]。從美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展研究看，高速段沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是難點(diǎn)，低速段渦輪基技術(shù)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)是重點(diǎn)。雖然并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定、防熱結(jié)構(gòu)和降低起動(dòng)速度等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，但還需要進(jìn)行更深入的研究。盡管美國(guó)先后通過HiSTED、STELR等計(jì)劃致力于發(fā)展高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，拓展其工作馬赫數(shù)到3.0+，但由于瓶頸技術(shù)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)，目前尚未取得關(guān)鍵性突破。而射流預(yù)冷技術(shù)的不斷成熟，在短期內(nèi)具有更好的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可承受性，目前被選為擴(kuò)展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包線的主要技術(shù)手段，有利于當(dāng)前對(duì)組合技術(shù)的驗(yàn)證和開發(fā)[15]。

但不可否認(rèn)，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，其對(duì)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)乃至飛行器在推力、速域和燃油效率等性能方面的提升具有不可替代的作用。因此在采用射流預(yù)冷技術(shù)完成組合技術(shù)驗(yàn)證與開發(fā)的同時(shí)，應(yīng)繼續(xù)開發(fā)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)用高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。而組合技術(shù)因涉及低速段和高速段動(dòng)力多個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜集成，將是并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵，也是當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注和亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

6 啟示

通過梳理并分析美國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展途徑，結(jié)合我國(guó)目前的并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀，為更好地推進(jìn)我國(guó)并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研究，提出以下建議：

(1)采用射流預(yù)冷擴(kuò)展渦輪基包線，是短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)性較好的組合技術(shù)驗(yàn)證途徑。

對(duì)于并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，核心是解決低速段渦輪基工作包線向上拓展的問題。新研高速渦輪基研究周期長(zhǎng)，近期內(nèi)無法快速完成并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研制。采用射流預(yù)冷技術(shù)擴(kuò)展現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線與沖壓組合形成接力，完成模態(tài)轉(zhuǎn)換等組合技術(shù)驗(yàn)證，提升組合技術(shù)成熟度，是短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)性較好的方案。同時(shí)，并行開展新研高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，為后續(xù)型號(hào)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)必須基于飛發(fā)一體化，聯(lián)合開展并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究與驗(yàn)證。

并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)作為高度集成推進(jìn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和性能與飛行器耦合緊密，必須從一體化角度開展研究。另外，并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)研制依托于各子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，而各關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證又與飛發(fā)關(guān)聯(lián)強(qiáng)烈，必須基于飛發(fā)一體化開展聯(lián)合研究，重視飛行器的牽引和約束，在提高關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的實(shí)用性和準(zhǔn)確性的條件下分步驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，逐步提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度。

(3)必須重視基礎(chǔ)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，持續(xù)加快關(guān)鍵設(shè)備改造和建設(shè)工作。

與常規(guī)動(dòng)力裝置相比，并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成復(fù)雜，同時(shí)工作馬赫數(shù)更高、工作范圍更寬，傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法已不適用，必須持續(xù)加快對(duì)現(xiàn)有并聯(lián)式TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)施的升級(jí)和建立關(guān)鍵的地面試驗(yàn)設(shè)施，特別是變馬赫數(shù)試驗(yàn)臺(tái)及全尺寸地面試驗(yàn)設(shè)備，提升地面試驗(yàn)?zāi)芰?，確保預(yù)研攻關(guān)和后續(xù)工程研制階段順利開展。