有高机动性和6马赫速度,我国独创高超音速组合航空动力方式

有高机动性和6马赫速度,我国独创高超音速组合航空动力方式

目前,国内外对TBCC(涡轮冲压组合发动机)、RBC(火箭冲压组合发动机)、ATR(空气涡轮火箭/冲压发动机)、Sabre(吸气火箭协同式发动机)和Triet高超音速航空发动机的研究越来越进步。各种发动机都有其适用范围和技术难点。串联TBCC(涡轮冲压组合发动机)的工作马赫数上限很难达到高超音速(MA>5),并联TBCC发动机在接力过程中面临“推力跨度”问题。ATR(空气涡轮火箭/冲压发动机)采用燃气发生器驱动涡轮,比冲性能较低,工作马赫数上难以超过Ma6。SARBF(吸气火箭协同式发动机)必须使用液氢和液氨等低温介质,系统繁杂,具有很弱的鲁棒性、灵活性和对快速任务的适应性较差。其吸气模式的工作马赫数极限为Ma=5.5,整个弹道的综合比冲性能较弱。Triet发动机很好地解决了并联TBCC(涡轮冲压组合发动机) “推力跨度”的难题,但采用三个发动机,三个通道并行布置,结构复杂,占用空间相对较大。进入21世纪,各国都在为未来的临近空间和空间飞行器寻找适当的高超音速动力装置.

基于中国临近空间和空间动力发展的需要和目前的技术基础,我国经过两年多的深入论证,创新性地提出了一种涡轮辅助火箭增强冲压联合循环发动机(TRRE),为临近空间和空间动力学的发展提供了全新的思路。

TRRE(涡轮辅助火箭增强冲压联合循环发动机)是一种集涡轮、火箭和冲压发动机于一体的高集成吸气式联合循环发动机,其结构、热循环和工作过程机构高度集成。目前,TRRE动力采用成熟涡轮与冲压发动机复合燃烧室并联、进排气系统共用的方案,能在Ma=0-6+、H=0-33km范围之内平稳工作,综合性能较好。采用火箭技术使发动机具有敏捷的推力调节能力,实现涡轮与冲压动力方式的稳定传递,缓解高超声速下的推力阻力问题;采用涡轮技术提低速工况下发动机的比冲性能,TRRE动力适用于亚音速,超音速,高超音速巡航,在整个航速范围内具有很好的机动性;它具有很好的工作鲁棒性,通过火箭射流增强燃烧,大大扩展了平稳的工作边界。火箭燃气可以带来燃料和氧气,并用作燃料喷注器。它适用于低动压等工作条件,为飞行器总体性能优化和热防护方案优化提供了更多选择。TRRE发动机为实现全飞行剖面下的最优综合性能开辟了一条全新途径。

典型的工作过程是:Ma=0-2发动机工作在涡轮模式,当起飞或跨音速推力缺乏时,可启动高速通道辅助火箭,工作在高低速通道组合模式;Ma=2关闭低速通道,完成高低速通道的模式转换;Ma=2-6加速过程在冲压模式或火箭冲压模式下工作;Ma=6巡航状态在冲压模式下工作,根据高马赫数、低动压飞行和机动突防的要求,火箭可以随时打开,以火箭冲压方式工作。

2015年至2020年,TRRE(涡轮辅助火箭增强冲压联合循环发动机)处于原理和核心关键技术验证阶段。利用小型涡轮机建立地面原理样机,验证工作原理,依托技术验证机加深对关键技术的认识;到2025年,将采用成熟的涡轮发动机,形成实际可用方案,将完成小规模水平起降自主飞行试验;后期,随着高马赫数超燃冲压发动机、可调燃烧室冲压发动机、高速涡轮、高效冷却等技术突破,预计2030年完成。通过技术集成,可以进一步扩展TRRE发动机,提高其综合性能,满足起飞着陆高超音速临近空间探测平台、两级入轨一级平台等更高性能的要求,甚至单级入轨飞行器的动力要求。

TRRE发动机通过将成熟的涡轮与RBCC发动机并联,很实用地考虑了临近空间和空间飞行器对发动机的性能指标要求和动力单元的工程实现性。技术关键是如何以最小的质量和空间成本实现发动机全流道的一体化紧凑设计,实现发动机在大范围内稳定可信运行,实现最佳性能的推进动力。