涡轮机循环系统油(高超声速武器的“心脏”，循环推进系统，世界各国争相研究的热点)

Posted 2023-06-01

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涡轮机循环系统油(高超声速武器的“心脏”，循环推进系统，世界各国争相研究的热点)

　　近年来高超声速飞行器成为世界各国争相研究的热点课题，而研发高超声速飞行器的最大阻碍之一就是其动力系统的开发。目前世界上现有的动力系统中，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。但任何一款单独的发动机，都难以满足高超声速飞行器动力系统的宽范围、高可控、高可靠的需求。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。

　　根据各种发动机的优劣，性能高的航空发动机很难用于高度20千米或速度3.0马赫以上飞行器；工作范围不受限制的火箭发动机存在性能偏低，推进剂消耗大的问题；有较好的性能和飞行马赫数的冲压发动机需要助推器解决初速问题。研究者提出了三种组合循环推进基本形式：涡轮基组合循环（TBCC）发动机、火箭基组合循环推进系统（RBCC）发动机和涡轮及火箭基组合循环（T/RBCC）。三种组合循环推进系统的工作原理也各不相同。涡轮机组合循环（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。火箭基组合循环（T/RBCC）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。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。

　　对于飞行包线范围非常宽（高度0~40km或更高、飞行M数从亚声、跨声、超声速扩展到高超声速）的高超声速飞行器来说，采用涡轮基组合循环（TBCC）动力系统和火箭基组合循环（RBCC）动力更为合适。

　　采用涡轮基组合循环（TBCC）动力系统有以下的优点，可以实现真正意义上的水平起飞和着陆；有完全可重复使用性；不受发射和着陆地点的限制，在一般军民用机场即可；可维护性好、维护成本低、使用寿命长，可以完成每年1000次的飞行任务；飞行马赫数达到4以上；可以使用常规燃料和润滑剂，发射成本低。所以，在未来的应用中，可以作为轨道飞行器的第1级推进系统，也可以担任低成本高速飞行试验平台的动力装置，此外还可以作为速巡航导弹和高速侦察机的动力系统。应用前景虽然非常广泛，但是涡轮基组合循环（TBCC）动力系统还是存在各种问题。比如，涡轮发动机（TE）体积大、质量大，比较耗费燃料。涡轮基组合循环（TBCC）动力系统跨声速能力差，为增加跨声速推力，需要加装非一体化的火箭发动机等各种问题。所以，在未来的发展过程中，涡轮基组合循环（TBCC）动力系统还需要解决多项关键性技术。包括能够承受高飞行马赫数引起的高温气流的冲击；相比现在军用涡轮发动机，TBCC发动机中的涡轮发动机必须能够适应宽广的飞行范围；TBCC发动机的各系统必须能够适应亚、跨、超、高超声速飞行的要求；进气道不仅能够满足TBCC发动机进气量的要求，还要保证进气道出口气流畸变度小及可在低马赫数下起动；排气喷管内外特性必须保持高性能，满足宽马赫数范围TBCC发动机的工作要求;所有的碳氢燃料必须保证可靠点火和燃烧的稳定性；各部件或系统所用材料必须具有耐高温能力且能与先进的冷却方式兼容，同时必须发展耐高温的热涂层。

　　采用火箭基组合循环（RBCC）动力系统，目前包括包括管道火箭和火箭冲压发动机、液化空气循环火箭和深冷空气火箭发动机、火箭/双模态冲压组合发动机、液化或深冷空气火箭/超燃冲压组合发动机、液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机等类型。并且拥有以下优点，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。所以，在未来的运载概念中，引入火箭基组合循环（RBCC）具有很大的前景。

　　TBCC发动机的研究起步较早，参研国家以西方航空技术发达国家为主，包括法国、美国、德国、俄罗斯和日本等。目前，在研制TBCC处于前列的当属美国，美国于2005年还启动了猎鹰组合循环发动机试验(FaCET)计划，其目标是发展可重复使用的、碳氢燃料的TBCC推进系统。2009年之后，NASA在基础航空计划(FAP)中继承RTA发动机的研究成果，延续了TBCC发动机的研究，其目标是:2014年开展小尺寸、带进气道的并联式TBCC发动机模态转换试验。目前已完成的工作包括：2010年6月进行了Ma=3一级涡轮发动机(WJ38)的核心机地面试验；2011年4月进行了全加力、单膨胀斜面喷管的整机试验。目前正在进行模态转换试验之前的安装准备工作。

　　RBCC发动机研究起步同样很早，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。以美国为例，1998年，美国国防部高级研究局（DAPPA），开始了为期18个月的高超声速导弹验证器的研制；1999年11月，DAPPA决定选用双模态冲压发动机与发动机一体化的起波器方案，该计划为期33个月，投入约4000万美元，在2002年完成。NASA也在进行火箭/双模态冲压RBCC推进技术研究。

　　空间载荷的快速低成本投送、对超远距离目标的快速打击以及全球范围的高速运输等诸如此类的应用目标，使得世界各航空航天技术发达国家对远程、高速飞行器的需求日益膨胀。所以，在21世纪各种高超声速飞行器将成为各国的研究重点。同时，为了让高超声速飞行器，拥有稳定先进的动力系统，组合循环推进技术将成为研究的重点！