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高超声速推进系统
关键词
组合循环发动机；高超声速推进；火箭基组合发动机；
Combined cycle engine；Hypersonic propulsion；Rocket - based composite cycle engine
目前世界上现有的动力系统中，各类航空发动机、火箭发动机、冲压发动机以及活塞发动机各有各的优势与劣势。航空发动机虽性能高，但是很难用于高度20Km或速度3.0马赫以上飞行器的动力系统。火箭发动机其工作范围不受限制，但性能偏低，推进剂消耗大。冲压发动机有较好的性能和飞行马赫数，但飞行机动性较差，且需要助推器解决初速度问题。为了能更好的将这些动力系统的优势集中，研究者提出了一种组合循环推进系统的构想。其中有三种基本形式：空气涡轮火箭（ATR）、基于涡轮的组合循环推进系统（TBCC）、火箭基组合循环推进系统（RBCC）。
三种组合动力推进系统
TBCC动力系统是由涡轮喷气发动机与冲压发动机有机结合的，起飞阶段由涡轮发动机工作，到达约3马赫时，涡轮进发动机关闭，启动冲压发动机，继续工作。
(TBCC示意图)
ATR动力系统由压气机、涡轮、混流腔和燃烧室组成。其使用独立的燃气发生器驱动涡轮带动压气机工作，压缩空气在燃烧室与富燃燃气进行燃烧，高温燃气通过尾喷管产生推力。
英国“佩刀”协同吸气式火箭发动机
而火箭基组合循环推进系统（RBCC）则是有机的结合了高推重比、低比冲的火箭发动机和低推重比、高比冲的吸气式发动机，是航天推进系统高效性和经济性的最佳组合。
（RBCC推进系统示意图）
RBCC将火箭发动机和吸气式推进系统有机的结合在一起，在大气层飞行时启用吸气式发动机并利用大气中的氧气，从而代替部分自带氧化剂以减轻飞行器起飞质量，达到一定速度和高度后，采用纯火箭模态，关闭进气道，使用自身携带的氧化剂，因此工作范围不收限制。
RBCC研究及基本特征
早在20世纪60年代，美国就对此进行了大量的研究，迄今为止，美国、日本、俄罗斯和欧盟等国家和地区纷纷开展了对组合动力推进系统的研究工作，均取得一定的成果。而我国于2014年挂牌成立了组合动力研究中心，近年开始研究空气涡轮火箭/冲压组合循环推进系统（Turbine Based Combined Cycle）。前几年中国航天科技集团表示：计划利用3-5年的时间掌握相应的关键技术，在2030年左右实现应用目的，达到亚轨道应用和入轨应用这种模式。
（TBCC涡轮组合火箭发动机）
这种组合推进系统，特别是火箭基组合循环推进系统，如此受到各国青睐，它与传统的推进系统以及TBCC、ATR有何不同呢？
首先，相较于传统推进系统（各类航空发动机、火箭发动机、冲压发动机等），其工作范围覆盖地面到外太空，能以吸气模式推动飞行器到达5倍声速、26Km左右的高度，充分利用大气层中的空气。如果从地面出发仅通过一次模态转换就能实现单级入轨，这是TBCC、ATR也无法做到的。其次，RBCC与另外两个组合推进系统不同在于自身携带了火箭发动机使用的推进剂，故可在大气层外飞行。而在结构尺寸方面：与涡轮机相比，火箭发动机推重比大，尺寸较小，就有可能缩小整个动力系统的尺寸。就目前的单/双级入轨动力系统而言，RBCC无疑有着巨大的优势。
RBCC的主要特点：
1.起飞阶段，可充分利用火箭发动机加速好的优点，同时引射而来的空气可以产生一定推力，提高发动机比冲。
2.火箭基组合循环推进系统是单级入轨飞行器方案动力选项之一，垂直发射，水平着陆比水平起飞，水平着陆能缩短在大气中滞留的时间，进而节省推进剂。
3.可大范围变轨工作：工作范围不受高度限制。
4.结构尺寸方面：由于火箭发动机推重比大，尺寸小。这就可能缩小整个动力系统尺寸。
5.氧化剂仅携带外层大气工作的需求量。减少推进剂携带量，增加有效载荷
推力曲线 比冲曲线
RBCC技术难题
尽管RBCC有着如此的诱惑力，但是对于目前而言，RBCC技术仍未达到成熟的地步，还有许多关键技术有待更好的解决。
进气道设计
目前对0马赫状态的引射增益研究已经取得很大的成绩，研究表明引射特性随飞行马赫数的增加而增加。但在来流不断变化的条件下，进气道的波系组织、喉部位置设计等相当复杂，还有待继续研究。 （高超声速飞行器进气道设计）
2.热交换器设计
热交换器是用于在2种不同温度的流体间实现热量交换的一种装置，通常一种流体位于管路内，另一种则包围在管路外以实现介质间的间接热交换。为冷却高温高速来流，需要通过热交换器将来流降至合理的温度，从而进入燃烧室供应燃烧。
例如SABRE（协同吸气式火箭组合发动机）的预冷热交换器，热交换管直径14um，壁厚2um，且泄露的氦气量可以以分子量计算。
预冷热交换器（SABRE核心部件）
3.火箭推重比大，但比冲较小，因其不能利用大气层中的氧，而吸气式发动机比冲大，推重比小，这是因为气体压缩功率大燃烧室压力也低。如何协调这两者也是一个难题。
4.大气中含有大量的氮气，如何处理这部分氮气也是循环组织性能好坏的一个重要标志。
5.机身一体化设计
在大气层中高于6倍音速的飞行时，空气阻力将急剧上升，其外形必须高度流线化，所以RBCC将全部被包裹在飞行器机身之中，但其最复杂的在于，为了调节进气量，使发动机产生额定的推力，进气道与尾喷管的几何形状要随着飞行速度变化而相应调整，还要保证其材料有足够刚度和耐高温性，能承受再入大气层时的高温高速气流冲击，从而实现重复使用
高超声速飞行器流线型设计（乘波体设计）
未来发展
《2016中国的航天》白皮书发表，对于空间运输系统是如此表述的：
“研制发射无毒无污染中型运载火箭，完善新一代运载火箭型谱，进一步提升可靠性。
开展重型运载火箭关键技术攻关和方案深化论证，突破重型运载火箭总体、大推力液氧煤油发动机、氢氧发动机等关键技术，启动重型运载火箭工程实施。
开展低成本运载火箭、新型上面级、天地往返可重复使用运输系统等技术研究”
可见，未来几十年我国也将在这类新型空天推进系统上加大研究力度，而能在更大空域内自由航行，廉价快捷进入太空这一直以来就是全人类的梦想与追求。RBCC等这类颠覆性动力系统无疑给人类带来了希望。但与此相关的火箭发动机所携带更多推进剂与吸气式组合动力系统因本身质量增加所带来的效益究竟如何，是否真能做到大幅度减轻起飞质量还有待继续研究。
参考文献
【1】张蒙正，李平，陈祖奎。组合循环动力系统面临的挑战及前景 火箭推进2009,35（1）
