廖孟豪 ¦ 美国防高级研究计划局将开展高超飞机全尺寸组合发动机地面集成验证

2016年2月18日，美国国防高级研究计划局（DARPA）公布其2017财年预算申请，其中新设立了一个“先进全状态发动机”（AFRE）项目，旨在利用现货涡轮发动机完成全尺寸涡轮基冲压组合发动机（TBCC）模态转换的地面集成验证，研究确立高超声速飞机TBCC推进系统工程化的可行性。TBCC动力是美军发展高超声速飞机的核心关键问题之一，新项目的设立意味着美军在高超声速飞机和动力的发展上又迈出了重要一步。

一、DARPA小型TBCC部件级研究成果为该项目奠定了技术基础

2005－2011年期间，以DARPA为主、联合美国空军，聚焦小型TBCC发动机实施了一批项目，取得了一系列部件级技术成果。

TBCC组合发动机是一种通过涡轮发动机和冲压发动机组合形成的新型动力，涉及涡轮发动机、冲压发动机和TBCC集成（核心是实现涡轮与冲压模态的相互转换）三大方面的技术研发工作。

2003年，DARPA与空军联合启动了“猎鹰”（FALCON）计划，目标之一是发展可长时间巡航的高超声速飞机关键技术，其中动力重点选择发展碳氢燃料TBCC发动机技术。在“猎鹰”计划框架下，2005年启动了“高速涡轮发动机验证机”（HiSTED）项目和“‘猎鹰’组合发动机技术”（FaCET）项目，分别瞄准马赫数0~4的小型高速涡轮发动机验证机和马赫数3~6的亚燃/超燃双模态冲压发动机开展关键技术攻关。

罗罗公司在美国空军协会展会上展出的YJ102R小型高速涡轮发动机模型

2009年，小型高速涡轮发动机完成了验证机初步地面试验，双模态冲压发动机完成了缩比试验件在马赫数3、4、6条件下的自由射流地面试验。同年，在高速涡轮和双模态冲压取得成果基础上，DARPA与空军联合又启动了“模态转换演示验证”（MoTr）项目，旨在完成马赫数0~6的碳氢燃料TBCC发动机从涡轮模态转换到冲压模态并转换回来的地面验证试验。由于缺乏预算支持，该项目最终仅完成了TBCC试验样机和试验台改装的设计工作。

安装进入试验台之前的FaCET集成试验模型

DARPA这次新设立的AFRE项目可以视作是当年未完成的MoTr项目的延续，但是扩大到了全尺寸，同时涡轮发动机由高速涡轮改为采用常规的现货涡轮发动机，实用性更强，技术成熟度更高。

二、美空军宽速域、中等尺寸冲压发动机预研成果为该项目提供了技术支撑

2011年以后，以美国空军为主，围绕速度接续和尺寸大小这两个核心问题，稳步安排了多途径的TBCC技术预研。

低起动速度的宽速域冲压发动机预研成果支撑了DARPA用现货涡轮发动机进行TBCC验证。涡轮发动机和冲压发动机能否在速度上实现有效接续是研制TBCC必须解决的首要问题。目前大多数超燃冲压发动机无法在马赫数4.0以下点火，而现货涡轮发动机的最高工作速度通常只有马赫数2.2。美空军双管齐下，一方面启动“远程超声速涡轮发动机”（STELR）项目，旨在开发马赫数3＋级小型高速涡轮发动机技术，2015年10月完成了马赫数3.2条件下的整机地面试验；另一方面又启动了“鲁棒超燃冲压发动机”项目，要求将超燃冲压发动机的点火速度从马赫数4.5降低到马赫数3.5以下，支撑拓宽双模态冲压发动机的工作速域，进一步与涡轮发动机的工作速域形成接续。

“远程超声速涡轮发动机”（STELR）项目开发的发动机技术可能用于下一代核空射巡航导弹。美国空军目前正在通过“远程防区外”（LRSO）武器项目发展该导弹，LRSO项目正在开展装备解决方案分析工作，计划在2017年第一季度进入“技术成熟与风险降低”（TM/RR）阶段。上图为美国空军在2017财年为该项目提出的预算安排（美国空军图片）

中等尺寸超燃冲压发动机预研成果为DARPA全尺寸TBCC地面验证提供了技术支撑。尺寸是TBCC工程实用化无法绕开的难题。美国国防部和国家航空航天局（NASA）都透露过吸气式高超声速推进技术在尺寸上三步走的发展路线：第一步研发流量4.5千克/秒量级的超燃冲压发动机（用于X-51A高超声速飞行器）；后续研发10倍流量的中等尺寸和100倍流量的大尺寸超燃冲压发动机，分别用于高超声速飞机和水平起降两级入轨运载飞行器。在开展X-51A项目同时，美空军在2011年正式启动了“中等尺寸超燃冲压发动机关键部件”（MSCC）项目，旨在发展流量45千克/秒量级、马赫数3.5~7的中等尺寸超燃冲压发动机关键部件技术（如燃烧室等），计划在2016年完成燃烧室直连式地面试验；还计划在2017财年启动“中等尺寸超燃冲压发动机（地面）演示验证”项目，进一步将中等尺寸超燃冲压发动机技术成熟度提高到4~5级。

AFRL在2014年11月公布的高超声速技术路线图。由图可见，美国空军计划在2030年之后实现战术打击/情报监视侦察用高超声速飞机的技术就绪，用于对该价值目标的纵深打击；在2040年之后实现可重复使用/持久型高超声速飞机的技术就绪，用于突防、持久可重复的情报监视侦察与打击（详见本号2015年10月16日文章：“美国空军将实施一批大型演示验证项目，加速三大颠覆性技术成熟”，点击题名可直接访问）。可见，MSCC项目是旨在支持路线图第二阶段目标实现的项目（美国空军图片）

三、DARPA新立项目聚焦TBCC模态转换过程完成全尺寸集成验证

DARPA在2017财年预算中为AFRE项目申请了900万美元的年度经费，用于启动初步设计工作。预算文件明确提出，AFRE项目将利用现货涡轮发动机，对TBCC发动机从涡轮转换到双模态冲压发动机的过程进行演示验证。项目计划先分别开展TBCC发动机若干大尺度部组件的研制和试验验证工作，然后再集成开展全尺寸TBCC推进系统模态转换自由射流地面试验，将TBCC发动机的技术成熟度进一步提高到5级，推动高超声速飞机等快速形成装备。

项目计划在2017财年：①启动TBCC模态转换样机的初步设计，制定地面测试及相关技术发展等计划；②设计、制造并测试大尺寸双进气道和直连式燃烧室；③启动涡轮发动机的采购工作。文件还明确提出：在2017财年第三季度将确定开展TBCC推进系统选型研究的承包商。

综合相关报道分析，DARPA实施该项目将充分吸收此前预研成果，但针对TBCC集成环节还需要攻克多动力单元结构布局、模态转换控制规律、多部件多变量协同控制等关键技术；同时由于TBCC模态转换是一个具有一定时间跨度、来流条件连续变化的动态过程，需要建立适应全尺寸TBCC试验样机的变马赫数来流模拟试验条件，因此，试验设施的设计改装工作也将是该项目的一大重要内容。

四、关于美军TBCC动力后续发展的几点推测

1．碳氢燃料TBCC是美军发展高超声速飞机的首选动力形式

与欧洲和日本目前正基于民用高超声速飞机应用背景研究多种动力形式（如氢燃料协同吸气式涡轮火箭发动机、氢燃料强预冷高速涡轮发动机、火箭冲压组合发动机、火箭发动机等）不同，美国从21世纪初开始提出发展军用高超声速飞机以来，就明确要采用碳氢燃料TBCC动力。DARPA和美国空军在2007年提出的HTV-3X高超声速飞机验证机、空军2011年提出的马赫数4＋高速作战飞机、洛马公司2013年底公布的SR-72高超声速作战飞机等，均明确指出要采用碳氢燃料TBCC动力；同时空军和DARPA的大量预算文件也安排了相关技术的预研。预计，至少短期内美军不会改变采用碳氢燃料TBCC作为高超声速作战飞机动力的技术路线。

美国洛马公司在官方网站上公布的SR-72高超声速飞机TBCC发动机概念

2．采取“现货涡轮发动机＋宽速域冲压发动机”的技术途径发展全尺寸TBCC发动机在短期内具有更好的可行性

DARPA选择了通过集成现货涡轮发动机和速域更宽、尺寸更大的双模态冲压发动机来开展全尺寸TBCC模态转换试验。原因可能在于：①大型高速涡轮发动机对成本、周期和技术要求过高，目前立项的资金和技术条件还不成熟。洛马公司官员曾透露，即便小型高速涡轮发动机研发成功，仅将其放大还需耗资几十亿美元。②双模态冲压发动机在降低起动速度、扩展工作包线上取得了重大进展。美国洛克达因公司曾透露，已开发了使双模态冲压发动机工作速度范围扩展到马赫数2~6的新技术，并已完成了地面试验验证，使得采用现货涡轮发动机来研制TBCC成为可能，从而可大幅降低成本和风险。但即便如此，美国仍在继续开发TBCC用高速涡轮发动机技术。因为从长远来看，高速涡轮发动机对TBCC乃至飞机在推力、速域和燃油效率等性能方面的提升具有不可替代的作用。

美国空军2011年公布的马赫数4＋高速飞机发展路线图

3．美军有望在2020年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面试验、2025年前后完成基于TBCC的高超声速飞机验证机首飞

DARPA尚未公布完成全尺寸TBCC模态转换地面试验的时间安排。美国空军在2011年高速飞机发展路线图中曾计划安排4年时间完成TBCC地面集成试验，再安排6年时间完成飞行验证，但公开报道未见实施。尽管无法对比DARPA新项目与空军原计划项目的详细技术指标，但随着技术的进步，DARPA应能在4年左右的时间内完成该项目，即在2020财年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面集成验证；在此基础上可能再利用5年左右的时间，在2025年前后开展TBCC的飞行验证，实现采用TBCC动力的高超声速飞机验证机首飞。这一进度节点判断还可从美国空军高速飞机路线图中的其他内容、美国空军研究实验室高层官员的会议报告、洛马公司提出的高超声速飞机研制计划等近年来大量公开信息中得到印证。

廖孟豪先生此前曾为《空天防务观察》撰写3篇专栏文章，如下表：

序号	篇名	发表日期 （2015）
1		3月2日
2		3月16日
3		6月29日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

   （航空工业发展研究中心  廖孟豪）

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