doi：10.3969/j. issn. 1009-086x. 2022. 06. 005

0 引言 

組合動力是將 2 種或以上的單一類型動力通過熱力循環、結構布局等有機融合而形成的新型寬包線多模態動力，可充分發揮各類動力的優勢，具備工作範圍寬、平均比沖高、使用靈活便捷和安全經濟等特點，可克服單一類型動力在滿足臨近空間高超聲速飛行器及空天飛行器寬速域、大（全）空域飛行任務時存在的性能短板，具有很高的航天和軍事應用價值。美國自 20 世紀五六十年代開始進行組合動力概念的探索研究，之後在國家航天和軍事戰略的需求牽引下發展了多種類型組合動力飛行器項目，如可重複使用天地往返系統和高超聲速飛機等。這一方面為美國未來實現自由、高效進出空間和執行快速響應、全球偵察/打擊作戰任務提供了有力支撐，另一方面也極大帶動了組合動力技術的發展進步，取得了大量研究成果。 

本文對美國當前主要組合動力方案開展分析，並研判其技術發展動向和趨勢，對於中國實現技術突破趕超和支撐中國高超聲速飛行器技術發展具有重要的借鑑意義。

1 美國主要組合動力方案分析 

在高超聲速飛機、可重複使用天地往返系統等飛行器動力需求牽引下，美國提出了眾多組合動力發動機概念和方案，並在 Hyper-X 計劃、“獵鷹”組合循環發動機技術（Falcon combined cycle engine technology，FaCET）、“ 佩刀 ”發動機（Synergetic air breathing rocket engine，SABRE）、“火神”計劃（Vulcan）等項目支持下進行技術探索與研製攻關。根據不同組合方案，主要可分為渦輪基衝壓組合發動機（turbine-based combined-cycle engine，TBCC）、火箭基衝壓組合發動機（rocket-based combined-cycle engine，RBCC）、預冷循環發動機和爆震發動機四大類型。 

渦輪基衝壓組合發動機是將渦輪發動機與衝壓發動機有機結合形成的組合動力系統，如美國 FaCET 計劃並聯式 TBCC 發動機。該類發動機可使用普通燃料，具備自主水平起降、寬速域、大空域工作的優點，理論上可實現 0～30 km 空域、Ma 0～7 速 域的寬工作包線。因此，該類發動機是水平起降高超聲速飛機、兩級入軌天地往返飛行器一子級系統的理想動力裝置，潛在用途還包括高超聲速巡航導彈的動力系統以及低成本高超聲速飛行試驗平台的動力系統。但是，TBCC 發動機在跨聲速段和模態轉換段推阻比矛盾突出，存在推力鴻溝難題，且受衝壓發動機能力限制難以工作到更高馬赫數。現階段需要着重突破常規渦輪發動機在 Ma>2. 5、衝壓發動機在 Ma<3. 5 時穩定、有效工作的問題，滿足渦輪發動機或衝壓發動機工作包線銜接匹配，實現不同工作模態穩健過渡。 

火箭基衝壓組合發動機是將火箭發動機與衝壓發動機有機結合形成的組合動力系統，如美國 Hyper-X 計劃飛行器的推進裝置吸氣式火箭綜合系統測試計劃（integrated system test of an airbreathing rocket，ISTAR）發動機 ，該類發動機結合火箭發動機高推重比與衝壓發動機高比沖的優勢，加速性和機動變軌能力強，可實現全空域、寬速域工作，因此比較適合應用於兩級入軌天地往返飛行器的一、二子級或單級入軌天地往返飛行器動力、高超聲速飛行試驗平台動力等。但是，RBCC 發動機低速段比沖性能較低，零速起飛時採用的引射模態油耗量占總油耗的40%～50%，使得起飛的低速過程耗油量過大，經濟性不好。現階段需要着 重突破寬域全流道匹配設計及燃燒組織難題，實現進氣道、燃燒室、噴管等高溫部件精準調節，滿足高性能工作要求。 

預冷循環發動機是指對進入發動機的高溫氣流進行預先冷卻降溫，再經壓縮後輸入燃燒室作為氧化劑進行燃燒的發動機，如美國的循環發動機質量注入預壓縮冷卻循環發動機（mass injection precompression cooling engine，MIPCC），在常規渦輪發動機壓氣機前加裝噴射系統，通過液體蒸發冷卻來流。該類發動機一般採用深 度預冷技術 ，具有吸氣和火箭2 種工作模式 ，能夠極大拓寬渦輪發動機工作馬赫數 上限（可 達 Ma 3～6），且流道熱端部件少，全工作區域內基本不背“死重”，具有 推重比性能好、比沖高的優勢，可實現全空域、全速域工作，是目前單級入軌天地往返飛行器的理想選擇，也可以作為兩級入軌天地往返飛行器一子級動力。但是，預冷循環發動機引入冷卻介質，系統複雜程度高，調節參數非常困難，現階段需要着重突破深度預冷、結霜控制、高效熱交換等關鍵技術。 

爆震發動機是一種基於爆震燃燒的新型熱力循環動力系統，有望突破傳統上以緩燃作為主要燃燒方式的動力系統遇到的發展瓶頸，是目前倍受關注的新概念發動機，如 美國“ 火神 ”計劃（Vulcan）脈衝爆震發動機、“固體推進劑旋轉爆震發動機演示器”項目旋轉爆震發動機等。爆震發動機具有循環熱效率高、結構簡單、質量輕、推重比高、比 沖大、成本低、工作範圍廣等突出優勢，能分別以火箭式和吸氣式 2 種模態工作，既能夠零速啟動，又可在高超聲速下運行，可以作為高超聲速飛行器的獨立動力裝置，也可以與其他發動機結合形成組合動力，用於高速遠程導彈、無人機、戰略飛機、高超聲速飛行器等。但是，爆震熱環境更惡劣，燃燒室熱防護更加困難，爆震燃燒室出口流場的周期性和不均勻性會帶來與發動機部件匹配工作的困難。目前，爆震發動機基本處於技術探索與原理驗證階段，以其為基礎的組合動力系統工程應用還任重道遠。

2 美國技術發展動向及趨勢研判 

2. 1 技術發展動向 

（1）超燃衝壓發動機技術取得重要進展 

寬速域、大推力衝壓發動機是多種組合動力技術的實現基礎和前提，必須率先獲得突破。近年來，在美空軍研究實驗室（air force research laboratory， AFRL）“中等尺寸超燃衝壓關鍵部件”（medium scale critical components，MSCC）項目支持下，諾格公司於 2019 年，洛克達因公司於 2020 年分別完成了空氣流量為 X-51 飛行器 10 倍左右的超燃衝壓發動機的地面試驗。2 種發動機都獲得了約 5. 9 t 的推力，諾格公司的發動機在 Ma 數 4 以上條件下累計工作超過 30 min，洛克達因公司的發動機在高超聲速條件下工作時長累計超過了 1 h。雖然目前地面試驗只是取得了縮比尺寸、關鍵部件技術（如燃燒室等）上的成果，離最終成熟尚有差距，但具備擴展到實用飛行器的現實基礎，無疑為組合動力的工程化應用帶來了曙光。 

（2）TBCC 是最適合高超聲速飛機的動力，美國正着力攻關

一方面，採用 TBCC 的高超聲速飛機，在低速域 （Ma 數＜3）時採用普通燃料渦輪發動機模式，可充分利用常規機場跑道進行自主水平起降，有利於靈活選擇發射和着陸地點，提高快速響應和靈活部署能力；在高速域時，可利用大比沖超燃發動機實現 持久經濟的高空高速飛行，提高戰場生存和突防能力。另一方面，對於美國而言，渦輪發動機技術成熟、發展體系配套，整體的研製難度相對較低，有利於快速獲得突破，實現工程應用。因此，TBCC 成為 了美國高超聲速飛機首選動力形式，並着力開展攻關 。比如 ，美國國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）正利用現有的渦輪發動機開展先進全速域發動機（advanced full range engine，AFRE）項目，已於在 2021 年完成整機地面試驗。NASA 正通過“高超聲速技術項目” （hypersonic technology project，HTP）支持多個渦輪基組合循環發動機相關的技術 。美國赫爾姆斯 （Hermeus）公司自籌經費於 2020 年完成了渦輪基組合循環發動機縮比原型的高速測試。 

（3）預冷發動機關鍵技術得到驗證，發動機工程實用存在“逆襲”可能 

以“佩刀”發動機為典型代表的預冷發動機研製已經呈現出加速發展趨勢，其工作原理的可行性得到了歐洲航天局、英國 BAE 系統公司、美國空軍研究實驗室等科研機構 的認可，高效熱交換系統、雙喉道推力室、可調進氣道與尾噴管等關鍵技術已不存在不可逾越的鴻溝。“佩刀”發動機受到美國的特別重視，在 2016 年基於“佩刀”發動機提出了兩型兩級入軌空天飛行器概念，美國空軍甚至評估認為“佩刀”發動機有望先於 TBCC 發動機在未來 5～15 年內實用化。2019 年 10 月，“佩刀”發動機核心部件預冷卻器成功完成了Ma5條件下的考核試驗，在 0. 05s 內將飛行 Ma 為 5 的高溫氣流從1000 ℃降至約 100℃，首次驗證了其用於高超聲速飛行條件的可行性。根據計劃安排，美國將尋求在 2025 年前進行“佩刀”縮比尺寸發動機的飛行驗證。 

（4）爆震發動機研究已取得階段性成果，但總 體上距離實現工程應用還較遠 

爆震發動機主要類型有脈衝爆震、連續旋轉爆震和斜爆震發動機等，由於具有獨特優點，得到了美國的大力關注和投入。在脈衝爆震發動機方面，自 2008 年美空軍首次在改進型 Long E-Z 小型飛機上成功進行飛行演示試驗後，2010 年美國得克薩斯 大學成功進行了大尺寸單管旋轉閥脈衝爆震發動機地面驗證試驗，其爆震管直徑為 10 cm，獲得了大 約 980 N 的峰值推力。在旋轉爆震發動機方面， 美國在機理研究和工程化應用方面處於世界領先。2020 年 5 月，美國佛羅里達大學研究團隊建 立並測試了旋轉爆震火箭發動機實驗模型，首次得到了安全有效的氫氧推進劑爆震 的試驗證據 。2021 年 10 月，美國華盛頓大學研究團隊設計了實驗性旋轉爆震發動機進行燃燒過程研究，並首次開發了相應數學模型來模擬實驗現象和開展發動機性 能驗證評估。在斜爆震發動機方面，2021 年 5 月美國中央佛羅里達大學建造了一個約 0. 76 m 長的系列腔室實驗裝置，成功開展高超聲速條件點火試驗，產生並保持了大約 3 s 的穩定爆炸，向實現真實斜爆震發動機邁出了重要一步。 

綜合以上信息，美國目前在爆震發動機研究方面進展較顯著，部分領域已進入樣機演示驗證階 段，可以說取得了階段性成果，但總體上技術成熟度還較低 ，離真正實現工程應用還有很長的路要走。 

2. 2 發展趨勢研判 

總體來看，TBCC 和ＲBCC 組合循環動力已經成為高超聲速飛行器的主流動力，也是美國目前聚 焦的方向，預冷和爆震 2 類形式在技術發展尤其是工程化應用發展上 要落後於 TBCC 和 RBCC。但 TBCC 和 RBCC 兩者仍有其性能上的短板劣勢，這為 預冷和爆震類型組合動力技術發展留下了機遇。綜合研判，美國組合動力技術未來發展將在技術研究層面上保持多路徑探索，工程應用層面上則以軍事需求為優先方向，分析如下：

（1）從歷史發展慣性看，美國在航空渦輪動力發展上採取動力先行先試的策略，在組合動力的發展上也會呈現類似局面，在應用需求尚不明確的情況下，將保持技術研究上多樣化的發展路徑，一旦取得技術上的多點突破必然帶來應用上的更多機遇。 

（2）從追求技術領先戰略看，由於各種組合動力技術難度均很大，保持多路徑探索，可以持續積累人才、資源和工程儲備，有利於美國形成對敵人的技術代差優勢，同時防止被對手技術突襲。

（3）從潛在應用看，各種組合形式都有其自身優點和預期應用對象，目前尚未有一種組合動力方案真正實現了在高超聲速飛行器上的應用，因此美國將以其雄厚的經濟實力和技術基礎為支撐，確保給各種技術路徑都留有足夠的發展空間。

（4）從工程應用看，美國以滿足軍事需求為優先和重點。目前，為滿足其偵察/打擊作戰高超聲速飛機動力需求，美國在各種組合動力類型中選擇以技術最成熟、性能最合適的 TBCC 為優先和重點發展方向，紮實推進工程化應用發展。

3 美國組合動力的潛在軍事應用分析 

組合動力是支撐臨近空間高超聲速飛行器、重複使用天地往返飛行器等未來空天武器系統發展與應用的核心技術之一，對改變戰爭攻防模式和爭取作戰優勢將產生關鍵影響。目前，美國對組合動力的潛在軍事應用主要集中在 TBCC 和 RBCC，作戰武器主要分為高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機以及空天飛行器等 3 個方面。 

3. 1 高超聲速巡航導彈 

從戰技性能上看，組合動力高超聲速巡航導彈具有很多優點。與利用火箭助推加超燃衝壓發動機提供巡航動力相比，採用 TBCC 作為動力的高超聲速巡航導彈，可以在飛行前段採用渦輪發動機以超聲速巡航速度高空出擊或以高亞聲速低空出擊，以節省燃料增加航程。進入敵方防禦火力後，衝壓發動機工作，使導彈以高超聲速突防和攻擊目標。優點在於飛行剖面選擇餘地較大，飛行速度靈活可控、快慢兼顧，便於機動變軌，既克服了目前渦扇發動機為動力的亞聲速巡航導彈易被攔截的不足，又避免了超燃衝壓發動機為動力的巡航導彈難以機動和控制的問題，航程遠、速度快、殺傷力強，是實施快速突防打擊的利器。 

但是，從成本和作戰靈活性上考慮，美國目前不太可能在高超聲速巡航導彈上採用組合動力。首先，美國通常以巡航導彈作為戰爭中發動大規模常規打擊的一次性使用武器，必然追求經濟可承受性，採用組合動力必然增加導彈成本，且無法充分發揮其可重複使用的特點，在經濟上將得不償失。同時，採用組合動力又必然增大導彈尺寸和重量，影響搭載平台的適應性和搭載量進而削弱作戰應用的靈活性和火力密度，不利於爭取作戰優勢。因此，採用組合動力的高超聲速巡航導彈不符合當前美軍對常規戰術導彈低成本、小型化的發展需求。

因此 ，預計美國未來巡航導彈主力仍然是如 “戰斧”系列的傳統渦扇發動機亞聲速巡航導彈，另外再搭配新型超燃衝壓發動機動力的高超聲速巡航導彈，如高超聲速吸氣式武器概念（hypersonic airbreathing weapons concept，HAWC）等。

3. 2 高超聲速飛機 

採用 TBCC 組合動力的高超聲速飛機兼具高空、高速和適度隱身等特點，能有效彌補傳統偵察打擊手段在擁有反衛星能力和先進防空系統的地區執行任務時的能力短板，實現對全球任意地點的快速情報收集、監視、偵察任務，並有執行對地/對空打擊任務的潛在能力，可以有效支撐美軍“全球快速打擊”作戰需求。

（1）美軍當前偵察手段面臨一定能力短板 

自從 1998 年 SR-71 退役後，美軍的情報偵察手段主要包括天基偵察衛星、有人/無人航空偵察機、地基/海基雷達等，在面對中俄等大國不斷提升的防禦能力時正面臨能力上的短板。如天基偵察衛星的周期性和固定軌道容易讓目標實施針對性規避， 也無法在任意目標上空按需部署，同時自身防護能力弱，在面臨中俄地基反衛武器和天基殺傷平台時易遭受軟、硬殺傷而失去偵察能力；有人/無人航空偵察飛機如 EP-3、MQ-1“捕食者”、RQ-8A“火力偵察兵”等普遍飛行速度慢、高度低、航程短且一般不具備隱身能力，雖然類似 RQ-4“全球鷹”無人機具備航程遠、升限高的優點，但仍然是亞聲速平台，因此在面臨先進防空體系時，均存在生存和突防能力弱的問題；地基/海基雷達受地球曲率影響難以遠程偵測地面或低空目標，同時偵察精度較低，若前沿部署則易遭中俄反介入武器的精確打擊。 

（2）高超聲速飛機可安全高效執行情報偵察 

與傳統航空飛機相比，採用 TBCC 組合動力的高超聲速飛機最大的特點是能實現高空高速遠程巡航飛行。以美國正在開發的 SR-72 為例，其配備 2 台渦輪基雙模態（亞燃和超燃）衝壓發動機，能以 Ma 6 的速度在最大超過 30 km 的高空進行遠程巡航飛行，並可以利用普通機場自主水平起降。因此，高超聲速飛機可以實現快速靈活任務響應、目標區域高速抵達，高效執行戰場任務。同時，高超聲速飛機在飛行高度上超過普通戰鬥機的飛行範圍，在飛行速度上高於大多數防空導彈，高高度和高速度的結合將有效突破敵方綜合防空系統的攔截。以 SR-71 應用戰績為例，在服役 34 年執行 3550 多次偵察任務中，成功擺脫了上千次飛機和防空導彈的攻擊，沒有一架被擊落過。

另外，高超聲速飛機作為載荷平台，可根據偵察任務需要在機腹、機身兩側和機頭內置攜帶紅外和電子探測器、超高清晰度偵察照相機、合成孔徑雷達等先進的電子和光學偵察設備，實施前視、下視和側視偵察。由於其巡航高度高，最大可超過 30 km，通視距離遠、大氣透過率高，可為電子、雷達和光學等各類傳感器的遠程/廣域偵察創造良好條件。據估測，巡航高度 25 km 通視距離大約是 12 km 高度的 1. 4 倍，大氣透過率（2. 7 μm 波段）是 12 km 高度的 3. 1 倍，同樣條件下光電傳感器作用距離可提升 76%。 

綜合來看，高超聲速飛機快速響應和生存、突防能力強，能對任意區域、高價值目標實施快速高效偵察 ，提供接近實時的戰場態勢信息並安全退出。 

（3）高超聲速飛機具備對地/對空打擊潛在能力 

理論上，高超聲速飛機可採用內埋方式攜帶武器載荷進行對地/對空打擊，而且可利用高速、高空提供很大的初始能量，相對普通戰鬥機大幅提高投放武器的射程、毀傷能力和對地打擊覆蓋範圍。但是，目前其實際執行此類任務能力受有效載荷和安 全投放等多方面因素的制約。 

首先 ，高超聲速飛機攜帶武器載荷的能力有限。高超聲速飛機（如 SR-71）在長度尺度上超過典型的四代或五代機 50% 左右，現有高溫材料結構體系下機身結構和發動機質量更大，而且為滿足遠航程、高速度飛行要求，燃油質量占比更大，在起飛重 量的限制下，能攜帶的有效載荷就更小。同時，機身採用更加扁平的減阻外形，內埋彈艙深度更淺，有效容積更小。因此，高超聲速飛機有效載荷比相對常規戰鬥機較小，一般在 1%～2% 左右，制約了其對地/對空打擊能力。 

此外，高超聲速飛機彈機分離過程氣動環境更複雜，安全風險更高。高超聲速飛行時的激波強度會遠高於超聲速飛行情況，彈艙空腔效應波繫結構更複雜，彈體受到激波系誘導產生的附加力矩作用，導致彈體投放瞬時的受力情況更為複雜，更容 易產生非預期的運動軌跡。同時，彈艙開口區域速度梯度更大，剪切層內渦量集中區的渦強度更高， 當彈體投放穿越剪切層時，會受到更強的氣動力干擾，影響武器發射精度甚至造成彈機分離事故。解決以上氣動問題，還需大量試驗數據支撐和分析研究工作。因此，雖然美國對 SR-72 的主要戰術技術指標中，明確了執行打擊任務的基本功能，但是未來能否有效實現還有待關注和研究。 

3. 3 空天飛行器 

組合動力空天飛行器是實現可重複使用天地往返運輸的重要途徑之一，雖然目前尚未完全實現，但是已發展出包括兩級入軌飛行器和單級入軌飛行器在內的設想概念。其中，兩級入軌飛行器一般採用 TBCC 為一子級動力，採用液體火箭發動機為二子級動力；單級入軌可採用 RBCC 動力或預冷式吸氣加火箭組合動力。空天飛行器具備跨域全速域、全空域工作的能力，是未來有效開展空間軍事行動的關鍵裝備。 

（1）自由高效進出空間開展空間載荷運輸 

兩級入軌飛行器採用高升力翼身融合氣動布局，可以在普通機場跑道由渦輪發動機依靠空氣動力實現像飛機一樣的水平起飛，在大氣層內依靠衝壓發動機飛行並加速至 Ma 約 6 和約 30 km 高度，然後一、二子級分離，一子級再入返回水平着陸，二子 級加速入軌，將載荷送入空間軌道。水平起降避免了龐大且複雜的地面保障系統，縮短任務準備周期提高起降頻次，並可靈活選擇發射和着陸地點，因此可自由高效進出空間開展載荷運輸。 

（2）開展空天攻防和天對地打擊 

單級入軌飛行器如空天飛機，集飛機、運載器、 航天器等多種功能於一身，既能在大氣層內作高超聲速飛行，又能攜帶載荷進入空間軌道並機動飛行。作為天對天武器平台，搭載電子干擾、動能、定向激光微波、可操控式機械臂/飛網等載荷，對敵方 高價值空間目標實施干擾、可控殺傷、失能失效、攔截捕獲等攻防行動，削弱乃至癱瘓敵方的空間信息支援和對抗能力。作為天對地打擊平台，攜帶天對地、反導反臨武器載荷，以其特有的“高姿態”，可對臨近空間飛行器、空中大型作戰平台、水面大型艦艇、地面軍事要地甚至深埋目標開展跨域打擊，正成為重要的戰略威懾手段。 

綜合來看，組合動力空天飛行器是美軍提高空間裝備體系韌性、支撐空間軍事優勢和實施跨域打擊、開展戰略威懾等軍事行動的關鍵裝備。但是目前，主要受制於動力技術瓶頸，離真正實現還有很長的路要走。 

4 啟示與建議 

（1）中國目前應優先發展 TBCC 動力技術並明確需求牽引 

首先，從可靠性、經濟性和安全性看，TBCC 發動機具有更好的前景，這更符合未來組合動力飛行器執行廉價、可靠、安全航天飛行的發展需求。其次，TBCC 技術基於高性能渦輪發動機，更加契合國家重點發展方向，大力推進高性能渦輪發動機技術 發展，既可以補齊中國航空動力領域的短板，更是國家產業轉型升級、進軍高端製造業的重要舉措。縱觀國外發展歷程，需求永遠是發展的強有力牽引，離開明確的應用背景，任何動力系統均會面臨自身發展所需的“動力”問題 。因此，我們要根據潛在用途，在國家層面論證並明確 TBCC 在軍事、 民用和商業領域的發展需求，為動力技術發展提供持久“動力”。 

（2）寬速域、大推力衝壓發動機技術是組合動力核心關鍵，需要繼續深化研究 

寬速域、大推力衝壓發動機技術是組合動力核心關鍵共用技術。中國提出的各種類型的組合動力方案，基本上都是以亞燃/超燃衝壓發動機與其他類型的動力相組合。衝壓發動機“向上”要具備高馬赫數飛行能力，“向下”要兼顧低馬赫數模態轉換需求，寬速域、大推力衝壓發動機的成功研製是發展組合動力的基礎和前提。研製更寬馬赫數、更大推力衝壓發動機，需突破一體化氣動技術、高效進/ 排氣、高效混合與燃燒以及熱防護等關鍵技術攻關，必須前置建設高馬赫數氣動力、氣動熱和機體/ 推進一體化等空氣動力相關試驗能力，組織開展系統性、持續性技術攻關。 

（3）從技術特點和潛在價值看，RBCC、預冷及 爆震等技術也應該部署探索研究 

首先，不管是 TBCC，還是 RBCC 或者預冷、爆震等都有其優點與不足，沒有一種組合形式能完美滿足所有飛行工況。其次，各種動力形式均具有潛在的應用對象和價值，而且各種組合動力形式在發展上均面臨技術瓶頸，尚未有一種形式獲得工程實 用。目前，國內眾多科研機構和院校對各種組合動力均在開展技術探索和研究，並已取得一定的研究成果。因此，不論從技術本身還是從實際情況考慮，都應繼續支持對多種技術路徑進行探索，以保持技術發展空間和發展勢頭。