組合動力飛行器是航空航天未來發展的技術高地，已成為各國高度關注的戰略性、前沿性技術，而組合迴圈發動機（CCE）是組合動力飛行器的核心技術。
本文分析了水平起降、重複使用、高速寬域組合動力飛行器特性變化對CCE的特殊需求，研究了高速寬域對CCE效能的影響、CCE技術程序評估方法，對CCE技術群開展實用化要素評估和技術路線最佳化，梳理實施以應用為目標的科學技術專項計劃的必要條件。
組合迴圈發動機（CCE）利用不同推進方式的最佳執行區間、以航空航天或新概念動力中的兩種及以上單一型別發動機技術，透過熱力迴圈和結構融合，實現超越吸氣式單一型別動力的更寬速域效能。
CCE概念是一個適合不同速域範圍、方案多樣、代際遞進的空天動力技術群，具有突出的優勢：大氣層內工作時利用空氣支援燃燒，空氣與燃氣作為熱機工質的推進劑比衝明顯高於自帶氧化劑的火箭發動機；可實現更寬速度範圍的飛行，拓展工作包線；支撐高速遠端飛行平臺和水平起降、重複使用、滿足“廉價、可靠、快速”這一未來空天往返飛行器的需求。
CCE是世紀技術難題，CCE研究基本以拓展工作範圍和提升效能為目標。涉及高超聲速的CCE諸多關鍵技術仍未聚焦，沒有顯現收斂趨勢，研發路線處於多樣化階段。
分析不同CCE方案的科學研究型別，研判該技術是否具備開發研究，即展示能力要素或實施實用化為目標的科學技術專項計劃的基本條件，按型別屬性最佳化CCE科學研究的技術路線。
CCE效能可實現性研究
單一型別動力飛行器與組合動力飛行器功能性效能對比分析
高速飛機兼顧爬升及更遠的高速巡航航程；兩級入軌一級平臺突出加速效能，追求將更大質量上面級送至一二級分離點。
CCE技術的具體運用可能存在差別，但本質都是以可接受的能量消耗換取組合動力飛行器更大的動能勢能。
組合動力飛行器需要實現速度明顯增量，拓展更寬速域飛行且可重複使用，其航程和載荷能力應與實用化單一型別動力飛行器可比擬。
應參照單一型別動力飛行器核心功能，規劃組合動力飛行器可接受的航程和載荷能力，系統分析組合動力飛行器特性的變化、技術特質對CCE效能需求的實質性影響和特殊需求，統籌研究CCE核心效能對飛行器的支撐性、可實現性。
爬升能力是高速寬域組合動力飛行器的突出矛盾，是實用性功能實現的關鍵，組合動力飛行器需要具有可接受的爬升效能。
組合動力飛行器對CCE效能需求分析
組合動力飛行器依靠CCE噴氣產生的推力克服阻力，實現起飛、加速爬升和巡航，而以下因素造成阻力疊加，導致飛行器對發動機推力需求進一步增大。
1）組合動力飛行器氣動佈局需兼顧起飛、低速、高速的氣動特性，具有更低的升阻特性。速域越寬，全速域升阻特性越差，需要CCE具有優於單一型別發動機的速度特性，以提供平衡阻力的更大推力。
2）寬域爬升所需燃料/推進劑及儲箱、進排氣調節機構、熱防護等將增加寄生阻力；同時寬域高速使不同速域氣流乾擾和激波強度更趨激烈，導致干擾和激波阻力增加。
3）速域上限提高，動壓增大，熱防護難度加大，對結構強度要求提高，導致結構質量增加，同時減低載油係數。
4）組合動力飛行器質量更大，導致誘導阻力增加，而以正迎角爬升需要更高升力系數，將進一步增大阻力系數。
CCE核心效能與工作速域上限影響分析
CCE研究實質是以不同型別發動機為基準，追求寬包線內效能尋優和工作邊界拓展，但從發動機技術層面，拓寬工作速域將付出兩方面的代價。
1）CCE給定速域的效能低於單一型別發動機
拓寬CCE不同模態工作速域邊界、提高邊界效能、進行模態轉換和效能銜接是實現寬域效能的合理技術途徑。
但速域上限越高，渦輪模態上邊界效能下降越大；衝壓模態速域越寬，比衝效能下降越多。
CCE追求寬包線高效工作能力，導致CCE在給定速域比衝低於適宜於該速域的單一型別發動機。
單一型別發動機與組合迴圈發動機比衝效能
比衝降低，同等燃料消耗和空氣流量下發動機推力就降低，導致改變飛行器動量的推力對時間積分即總衝也降低。
隨速域上限提高，CCE全速域範圍可能實現的總衝與以單一型別發動機效能為目標的總衝之差越來越大。
2）CCE單位質量做功能力低於單一型別發動機
渦輪模態工作時衝壓高速通道的結構質量、採用的材料質量增加、繼續爬升所需燃料等形成呆重，相當於增加渦輪模態時發動機系統結構質量；衝壓模態時一直攜帶渦輪基爬升飛行，等同於減少有效載荷、降低效能。
同時作為CCE應有選項的可調進排氣隨速域上限提高調節範圍更大，調節時變性要求更高，可調機構質量更重。
因此，相比單一型別發動機，CCE推重比明顯降低，CCE推重比與單一型別發動機之差也隨飛行速域上限提升越來越大，嚴重削弱航程或載荷能力。
飛行速域上限對CCE實用化影響綜合分析
飛行速域上限對CCE實用化具有決定性影響。
隨速度上限提高，組合動力飛行器需求與CCE效能能否匹配、CCE核心效能能否實現矛盾越來越突出、風險越來越大。
CCE典型技術特徵中，高速寬域是可變特徵，是形成技術群的主要因素，高速寬域的變化催生和演化出不同速域、方案多樣、型別豐富的CCE具體形式，是影響實用化的主要因素。
CCE實用化評估研究
CCE技術實用化評估方法
CCE需在極為有限的空間和極端嚴苛條件下實現多種型別發動機高水平能量持續釋放和轉化，工程技術高度複雜、學科高度交叉，並且具有與飛行器高度耦合的開放性，長期處於探索階段。
有必要開展CCE實用化評估研究，以飛行速域上限為變數，透過CCE技術方案、飛行器需求、技術代際支撐、熱障等維度的要素和指標，建立評估框架，定性評估CCE的科研型別和初步具備實用化基本要素程度。
1-CCE技術方案
核心效能：主要是能量轉換能力和單位質量做功能力，即比衝、推重比和推力規模。
目標發動機：具備實用化能力或實用化潛質的CCE方案基本形式或輪廓，應特別關注演示驗證CCE效能與實用化預期CCE的差異。
成熟度及預期：支撐方案閉合的主要子技術途徑清晰，新概念新技術應用應有成熟度預期。
2-飛行器需求
組合動力飛行器的航程和載荷能力主要由飛行器氣動效能、發動機比衝或油耗、載油係數和速度決定，很多需求與總體目標、總體技術密切耦合，需全面分析組合動力飛行器特殊性對動力的額外需求。
3-技術代際遞進
發動機屬於高科技傳統產業，遵循經典力學和熱力學理論，歷次工業革命均為重要發展領域，適時融合應用最新科技成果，呈漸進式發展，取代化學能發動機的產業代際重大突破端倪尚未顯現，CCE發展符合技術代際遞進規律。
4-熱障
熱障是飛行的三大障礙之一，是高速飛行器大氣層內飛行必然涉及的共性關鍵問題。
在飛行速度Ma2.5以上遇到熱障，熱防護難度加劇，熱防護質量增加，隨著飛行速度提高，特別是進入Ma5以上，熱障矛盾更加突出。
解決熱障問題的技術風險和途徑也與可重複使用需求相關。
不同速域上限CCE實用化評估分析
在已實現Ma3超聲速巡航基礎上，以Ma4和備受關注的Ma6為飛行速域上限，對CCE技術實用化進行評估。
Ma4級CCE具備開發研究基本條件，可按以實用化為目標開展科學技術專項計劃研究，但可能需要統籌機動等次要效能、最佳化渦輪基壽命換取CCE更高效能的實現，並以大型化飛行平臺實現航程或運載能力。
Ma6級CCE仍需持續探索，科研活動基本屬於基礎研究、應用研究範疇，可能還涉及科學問題，實際應用和能力形成預期非常不確定。
Ma6以上更高速度飛行面臨的熱障矛盾更加突出。
Ma4級CCE需求及飛行器潛在價值研究
Ma4級CCE需求分析
目前，第六代戰鬥機正在探索性研發，其典型配置包括自適應變迴圈發動機，以增加航程或載荷能力，推測其飛行速度在Ma2~Ma3，再下一代戰機是Ma3+水平上權衡隱身、航程、載彈量等核心指標，Ma4發動機是更下一代才可能考慮、跨幾代的配置。
因此，應突破傳統思維、著眼於未來發展，創新Ma4級CCE的應用需求。
對Ma6級CCE的需求表象似強於Ma4，表明高超聲速過強的科技前景感染力。但作為重大技術代際，Ma4級飛行器和Ma4級CCE難以逾越。
將組合動力飛行器和Ma4級CCE置於臨近空間開發利用和空天科技的大背景下，可創造潛質戰略需求，具有重大應用價值。
水平起降、重複使用、Ma4級亞高超飛行平臺應用價值分析
以接近高超聲速下限即Ma4級的飛行速度定義為亞高超。
透過應用場景分析，設想以串聯渦輪基組合迴圈發動機（TBCC）為核心，構建規模足夠大、航程和載荷效能優良的亞高超飛行平臺，可實現如下功能和意義。
1-空中發射平臺
以空中發射的優勢和適宜的經濟性形成與地基火箭運載互補的航天發射體系。
發揮空中發射優勢，挖掘超聲速空射潛力，最佳化空射運載火箭效能，靈活選擇發射視窗或低緯度發射，開闢航天發射一級重複使用新模式，適應空天運輸日益增長和低成本、快速發射需求，促進商業航天產業發展。
2-飛行試驗平臺
突破Ma5以下風洞試驗侷限，建立完全真實、變速、可重複、寬域超聲速飛行風洞，推動超聲速飛行環境的科學研究。
統籌超、高超聲速基礎研究、關鍵技術驗證需求，減少飛行驗證資源重複投入。可拓展為超聲速空中實驗室。
3-工程驗證平臺
打通水平起降、重複使用超聲速飛行器技術路線，驗證總體、變形氣動佈局、結構與熱防護、熱管理、高速分離和邊界效能等關鍵技術。
完善超聲速技術體系，促進超聲速技術、高效能超聲速飛機全面突破，為下幾代飛機和Ma6級組合動力飛行器、高超技術全面發展提供必要的支撐。
4-遠端快速抵達和投送平臺
實施遠端快速偵察巡視、戰略遠端快速投送；探索空基太空區域反應能力；探索軌道快速部署、補給能力。
推動大型超聲速飛行平臺工程化，探索應對未來戰爭形態、改變戰爭模式的空中平臺與裝備協同體系作用。
5-帶動新型發動機顛覆性創新應用
以動力技術新的融合模式推動超燃衝壓發動機、火箭基組合迴圈發動機（RBCC）直接應用：
平臺投送跨越助推和低速啟動，超燃衝壓發動機作為被投送飛行器動力直接應用；RBCC作為空間動力實現空中發射入軌，以Ma4作為一、二級分離點，上面級以吸氣式組合發動機為主動力，可進一步拓寬用氧域，是空天往返推進技術的最佳化路線。
結論
組合迴圈發動機實用化是空天動力技術後續發展面臨的現實問題。
1）飛行速域上限對水平起降、重複使用、高速寬域組合迴圈發動機實用化具有決定性影響。應依據不同速域評估研判組合迴圈發動機技術程序和科學研究型別屬性，選擇適宜的技術路線開展研發工作。
2）Ma6級組合迴圈發動機技術尚未發展到可預期實用化程度。以高超飛機、兩級入軌一級平臺為應用背景的水平起降、重複使用、Ma6級組合迴圈發動機仍處於探索研究階段，應持續開展基礎研究和應用研究，繼續保持方案多樣化。
3）Ma4級組合迴圈發動機具備實用化研究基本條件。應積極規劃開發研究、工程驗證，推動實施Ma4級組合動力飛行器和組合迴圈發動機以能力形成為目標的科學技術專項計劃。
4）水平起降、重複使用、Ma4級亞高超飛行平臺具有超聲速空中發射、空中試驗、遠端投送等平臺功能和推動發動機技術應用模式變革的重大價值與戰略意義。Ma4級飛行器及組合迴圈發動機是難以逾越的技術代際，是高超聲速技術全面發展的重要支撐。通往Ma6的路需要經過Ma4。
作者簡介：趙文勝，中國航天飛航技術研究院研究員，研究方向為固體火箭發動機、組合迴圈發動機、空天動力技術。
論文全文發表於《科技導報》2021年第17期，原標題為《組合迴圈發動機科學研究技術路線的最佳化》，本文有刪減，歡迎訂閱檢視。
