【科技动向】奇点临近？DARPA认为涡轮基组合循环发动机技术已到突破时刻

2016年6月29日，美国《航宇日报》报道称，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）将于7月13日和14日，在华盛顿特区举行“先进全状态发动机”（AFRE）项目潜在建议书提交者通气会，将向潜在的投标者们提供该项目的简要介绍。

AFRE是一项试图完成全尺寸的宽速域涡轮基组合循环（TBCC）发动机地面演示验证的科技项目，该发动机适用于马赫数0～5＋的速度范围，用于未来吸气式可重复使用高超声速飞行器。DARPA在2016年2月18日提交的2017财年预算要求文件中新设立了该项目，目标是通过全尺寸发动机模态转换试验研究确立高超声速飞机TBCC推进系统的可行性。该局在2017财年为AFRE项目编列了900万美元，用来启动初步的设计工作。按计划，AFRE项目将分为两阶段进行，第一阶段包括系统设计，缩尺以及大尺寸部件演示验证；第二阶段计划进行低速流道和高速流道的大尺寸直连或自由射流试验。DARPA项目经理克里斯托弗·克莱（Christopher Clay）表示：“这并不是工程师第一次试图组合涡轮发动机和冲压发动机，不过凭借在制造技术、建模和其他学科的最新进展，我们相信这次尝试最终有可能成功”。

“先进全状态发动机”预想的组成结构示意图。DARPA认为，尽管这已经不是第一次试图组合涡轮发动机和冲压发动机的尝试，但依托科学技术的最新进展，AFRE项目有可能取得成功（DARPA图片）

TBCC发动机是指传统涡轮喷气发动机和亚燃/超燃双模态冲压发动机的组合，两者共用进气道和尾喷管。AFRE项目面对的棘手问题是最高马赫数2.5的涡轮发动机与最低马赫数3.5的冲压发动机的工作衔接问题，该项目就是要通过地面集成演示验证解决这一问题。在此之前，DARPA曾在2009启动“模态转换”（MoTr）项目，以演示验证TBCC发动机从涡喷到亚燃冲压再到超燃冲压工作模态，实现马赫数0～6范围的模态转换，但在按照计划于2012年进行地面试验之前，该项目就被终止。AFRE项目与MoTr项目的不同在于：MoTr项目使用马赫数能够达到3～4的高速涡轮发动机，而AFRE项目计划使用工作马赫数最高只到2.5的货架涡轮发动机，这就意味着要降低冲压发动机的接管速度。

再往上溯，MoTr项目又是DARPA在2009年完成的“‘猎鹰’飞行器组合循环发动机技术”（FaCET）项目的后继项目，而洛马公司的“臭鼬工厂”是FaCET项目和MoTr项目的主合同商，它提供了进气道和尾喷管，并与普惠·洛克达因公司（现属于航空喷气·洛克达因公司）一起发展PW9221双模态冲压发动机燃烧室。FaCET项目在第一阶段试验了独立的缩尺部件，其中进气道为30%的尺寸，燃烧室为40%的尺寸；第2阶段集成了进气道、燃烧室和尾喷管，进行了自由射流试验，整个流路是目标尺寸的70%。集成后的系统在2009年3月4日进行了地面试验。MoTr项目就是在FaCET流路的基础上增加高速涡喷发动机，以演示验证一台完整的TBCC。

洛马公司“臭鼬工厂”力推TBCC集成演示验证项目，因为其SR-72高超声速侦察/打击飞机（上图为想象图）需要此类组合动力系统（美国《大众科学》图片）

在MoTr项目中高速涡轮发动机来自于DARPA/美国空军联合支持的“高速涡轮发动机演示验证”（HiSTED）项目，后一项目的目标是研发一种马赫数3～4的超声速巡航导弹用一次性涡轮发动机。该项目的两家承包商——罗·罗公司的“自由工厂”和威廉姆斯国际公司分别发展了YJ102R高速涡喷发动机和XTE88高速小涵道比涡扇发动机。其中，YJ102R曾被洛马公司选中，用于该公司在美国海军研究局的“对时敏目标进行远程打击的创新方法”（RATTLRS）项目下发展的高速巡航导弹演示验证弹（飞行速度达到马赫数3＋），但由于低速试验中轴承毁坏，HiSTED项目于2008年被搁置，随后终止。

罗罗公司“自由工厂”发展的YJ102R小型高速涡轮发动机（上图为模型）

此后，两家公司又都获得了美国空军“远程超声速涡轮发动机”（STELR）项目的资金支持，继续研发高速涡轮发动机，不过目标更加侧重于较低速度和高耐久性，这将可以为DARPA提供一款高速涡轮发动机用于TBCC项目集成。罗·罗公司已经在STELR项目上取得进展，提供了工作速度范围为马赫数2.5～3.2的YJ102R发展型，并于2015年9月在地面试验中实现马赫数2～2.5条件下超过两小时的运转，后续逐步开展了马赫数2.5～3.2的地面试验（要求可在马赫数3.2持续工作超过一小时）；威廉姆斯国际公司则在该项目下发展了尺寸与XTE88相似的WJ38-15发动机，并提供给美国航空航天局（NASA）格伦研究中心，以在后者的“组合循环发动机大尺寸进气道模态转换”试验台架（CCE-LIMX）上进行试验。

NASA的“组合循环发动机大尺寸进气道模态转换”试验台架。可见该台架实际上是从共用进气道之后的流路分叉点开始，上方为低速流路，通往涡轮发动机；下方为高速流路，通往双模态超燃冲压发动机（NASA图片）

《空天防务观察》曾在2016年4月20日刊登廖孟豪先生的专栏文章，“美国防高级研究计划局准备开展高超飞机全尺寸涡轮基组合发动机地面集成验证”，对AFRE项目的基础、目标、内容和前景进行了详细介绍和分析，感兴趣的读者可点击题名访问该文。

（中航工业经济技术研究院  张东宝）

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