组合动力飞行器是航空航天未来发展的技术高地，已成为各国高度关注的战略性、前沿性技术，而组合循环发动机（CCE）是组合动力飞行器的核心技术。
本文分析了水平起降、重复使用、高速宽域组合动力飞行器特性变化对CCE的特殊需求，研究了高速宽域对CCE性能的影响、CCE技术进程评估方法，对CCE技术群开展实用化要素评估和技术路线优化，梳理实施以应用为目标的科学技术专项计划的必要条件。
组合循环发动机（CCE）利用不同推进方式的最佳运行区间、以航空航天或新概念动力中的两种及以上单一类型发动机技术，通过热力循环和结构融合，实现超越吸气式单一类型动力的更宽速域性能。
CCE概念是一个适合不同速域范围、方案多样、代际递进的空天动力技术群，具有突出的优势：大气层内工作时利用空气支持燃烧，空气与燃气作为热机工质的推进剂比冲明显高于自带氧化剂的火箭发动机；可实现更宽速度范围的飞行，拓展工作包线；支撑高速远程飞行平台和水平起降、重复使用、满足“廉价、可靠、快速”这一未来空天往返飞行器的需求。
CCE是世纪技术难题，CCE研究基本以拓展工作范围和提升性能为目标。涉及高超声速的CCE诸多关键技术仍未聚焦，没有显现收敛趋势，研发路线处于多样化阶段。
分析不同CCE方案的科学研究类型，研判该技术是否具备开发研究，即展示能力要素或实施实用化为目标的科学技术专项计划的基本条件，按类型属性优化CCE科学研究的技术路线。
CCE性能可实现性研究
单一类型动力飞行器与组合动力飞行器功能性性能对比分析
高速飞机兼顾爬升及更远的高速巡航航程；两级入轨一级平台突出加速性能，追求将更大质量上面级送至一二级分离点。
CCE技术的具体运用可能存在差别，但本质都是以可接受的能量消耗换取组合动力飞行器更大的动能势能。
组合动力飞行器需要实现速度明显增量，拓展更宽速域飞行且可重复使用，其航程和载荷能力应与实用化单一类型动力飞行器可比拟。
应参照单一类型动力飞行器核心功能，规划组合动力飞行器可接受的航程和载荷能力，系统分析组合动力飞行器特性的变化、技术特质对CCE性能需求的实质性影响和特殊需求，统筹研究CCE核心性能对飞行器的支撑性、可实现性。
爬升能力是高速宽域组合动力飞行器的突出矛盾，是实用性功能实现的关键，组合动力飞行器需要具有可接受的爬升性能。
组合动力飞行器对CCE性能需求分析
组合动力飞行器依靠CCE喷气产生的推力克服阻力，实现起飞、加速爬升和巡航，而以下因素造成阻力叠加，导致飞行器对发动机推力需求进一步增大。
1）组合动力飞行器气动布局需兼顾起飞、低速、高速的气动特性，具有更低的升阻特性。速域越宽，全速域升阻特性越差，需要CCE具有优于单一类型发动机的速度特性，以提供平衡阻力的更大推力。
2）宽域爬升所需燃料/推进剂及储箱、进排气调节机构、热防护等将增加寄生阻力；同时宽域高速使不同速域气流干扰和激波强度更趋激烈，导致干扰和激波阻力增加。
3）速域上限提高，动压增大，热防护难度加大，对结构强度要求提高，导致结构质量增加，同时减低载油系数。
4）组合动力飞行器质量更大，导致诱导阻力增加，而以正迎角爬升需要更高升力系数，将进一步增大阻力系数。
CCE核心性能与工作速域上限影响分析
CCE研究实质是以不同类型发动机为基准，追求宽包线内性能寻优和工作边界拓展，但从发动机技术层面，拓宽工作速域将付出两方面的代价。
1
CCE给定速域的性能低于单一类型发动机
拓宽CCE不同模态工作速域边界、提高边界性能、进行模态转换和性能衔接是实现宽域性能的合理技术途径。
但速域上限越高，涡轮模态上边界性能下降越大；冲压模态速域越宽，比冲性能下降越多。
CCE追求宽包线高效工作能力，导致CCE在给定速域比冲低于适宜于该速域的单一类型发动机。
单一类型发动机与组合循环发动机比冲性能
比冲降低，同等燃料消耗和空气流量下发动机推力就降低，导致改变飞行器动量的推力对时间积分即总冲也降低。
随速域上限提高，CCE全速域范围可能实现的总冲与以单一类型发动机性能为目标的总冲之差越来越大。
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CCE单位质量做功能力低于单一类型发动机
涡轮模态工作时冲压高速通道的结构质量、采用的材料质量增加、继续爬升所需燃料等形成呆重，相当于增加涡轮模态时发动机系统结构质量；冲压模态时一直携带涡轮基爬升飞行，等同于减少有效载荷、降低性能。
同时作为CCE应有选项的可调进排气随速域上限提高调节范围更大，调节时变性要求更高，可调机构质量更重。
因此，相比单一类型发动机，CCE推重比明显降低，CCE推重比与单一类型发动机之差也随飞行速域上限提升越来越大，严重削弱航程或载荷能力。
飞行速域上限对CCE实用化影响综合分析
飞行速域上限对CCE实用化具有决定性影响。
随速度上限提高，组合动力飞行器需求与CCE性能能否匹配、CCE核心性能能否实现矛盾越来越突出、风险越来越大。
CCE典型技术特征中，高速宽域是可变特征，是形成技术群的主要因素，高速宽域的变化催生和演化出不同速域、方案多样、类型丰富的CCE具体形式，是影响实用化的主要因素。
CCE实用化评估研究
CCE技术实用化评估方法
CCE需在极为有限的空间和极端严苛条件下实现多种类型发动机高水平能量持续释放和转化，工程技术高度复杂、学科高度交叉，并且具有与飞行器高度耦合的开放性，长期处于探索阶段。
有必要开展CCE实用化评估研究，以飞行速域上限为变量，通过CCE技术方案、飞行器需求、技术代际支撑、热障等维度的要素和指标，建立评估框架，定性评估CCE的科研类型和初步具备实用化基本要素程度。
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CCE技术方案
核心性能：主要是能量转换能力和单位质量做功能力，即比冲、推重比和推力规模。
目标发动机：具备实用化能力或实用化潜质的CCE方案基本形式或轮廓，应特别关注演示验证CCE性能与实用化预期CCE的差异。
成熟度及预期：支撑方案闭合的主要子技术途径清晰，新概念新技术应用应有成熟度预期。
2
飞行器需求
组合动力飞行器的航程和载荷能力主要由飞行器气动性能、发动机比冲或油耗、载油系数和速度决定，很多需求与总体目标、总体技术密切耦合，需全面分析组合动力飞行器特殊性对动力的额外需求。
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技术代际递进
发动机属于高科技传统产业，遵循经典力学和热力学理论，历次工业革命均为重要发展领域，适时融合应用最新科技成果，呈渐进式发展，取代化学能发动机的产业代际重大突破端倪尚未显现，CCE发展符合技术代际递进规律。
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热障
热障是飞行的三大障碍之一，是高速飞行器大气层内飞行必然涉及的共性关键问题。
在飞行速度Ma2.5以上遇到热障，热防护难度加剧，热防护质量增加，随着飞行速度提高，特别是进入Ma5以上，热障矛盾更加突出。
解决热障问题的技术风险和途径也与可重复使用需求相关。
不同速域上限CCE实用化评估分析
在已实现Ma3超声速巡航基础上，以Ma4和备受关注的Ma6为飞行速域上限，对CCE技术实用化进行评估。
Ma4级CCE具备开发研究基本条件，可按以实用化为目标开展科学技术专项计划研究，但可能需要统筹机动等次要性能、优化涡轮基寿命换取CCE更高性能的实现，并以大型化飞行平台实现航程或运载能力。
Ma6级CCE仍需持续探索，科研活动基本属于基础研究、应用研究范畴，可能还涉及科学问题，实际应用和能力形成预期非常不确定。
Ma6以上更高速度飞行面临的热障矛盾更加突出。
Ma4级CCE需求及飞行器潜在价值研究
Ma4级CCE需求分析
目前，第六代战斗机正在探索性研发，其典型配置包括自适应变循环发动机，以增加航程或载荷能力，推测其飞行速度在Ma2~Ma3，再下一代战机是Ma3+水平上权衡隐身、航程、载弹量等核心指标，Ma4发动机是更下一代才可能考虑、跨几代的配置。
因此，应突破传统思维、着眼于未来发展，创新Ma4级CCE的应用需求。
对Ma6级CCE的需求表象似强于Ma4，表明高超声速过强的科技前景感染力。但作为重大技术代际，Ma4级飞行器和Ma4级CCE难以逾越。
将组合动力飞行器和Ma4级CCE置于临近空间开发利用和空天科技的大背景下，可创造潜质战略需求，具有重大应用价值。
水平起降、重复使用、Ma4级亚高超飞行平台应用价值分析
以接近高超声速下限即Ma4级的飞行速度定义为亚高超。
通过应用场景分析，设想以串联涡轮基组合循环发动机（TBCC）为核心，构建规模足够大、航程和载荷性能优良的亚高超飞行平台，可实现如下功能和意义。
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空中发射平台
以空中发射的优势和适宜的经济性形成与地基火箭运载互补的航天发射体系。
发挥空中发射优势，挖掘超声速空射潜力，优化空射运载火箭性能，灵活选择发射窗口或低纬度发射，开辟航天发射一级重复使用新模式，适应空天运输日益增长和低成本、快速发射需求，促进商业航天产业发展。
2
飞行试验平台
突破Ma5以下风洞试验局限，建立完全真实、变速、可重复、宽域超声速飞行风洞，推动超声速飞行环境的科学研究。
统筹超、高超声速基础研究、关键技术验证需求，减少飞行验证资源重复投入。可拓展为超声速空中实验室。
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工程验证平台
打通水平起降、重复使用超声速飞行器技术路线，验证总体、变形气动布局、结构与热防护、热管理、高速分离和边界性能等关键技术。
完善超声速技术体系，促进超声速技术、高性能超声速飞机全面突破，为下几代飞机和Ma6级组合动力飞行器、高超技术全面发展提供必要的支撑。
4
远程快速抵达和投送平台
实施远程快速侦察巡视、战略远程快速投送；探索空基太空区域反应能力；探索轨道快速部署、补给能力。
推动大型超声速飞行平台工程化，探索应对未来战争形态、改变战争模式的空中平台与装备协同体系作用。
5
带动新型发动机颠覆性创新应用
以动力技术新的融合模式推动超燃冲压发动机、火箭基组合循环发动机（RBCC）直接应用：
平台投送跨越助推和低速启动，超燃冲压发动机作为被投送飞行器动力直接应用；RBCC作为空间动力实现空中发射入轨，以Ma4作为一、二级分离点，上面级以吸气式组合发动机为主动力，可进一步拓宽用氧域，是空天往返推进技术的优化路线。
结论
组合循环发动机实用化是空天动力技术后续发展面临的现实问题。
1）飞行速域上限对水平起降、重复使用、高速宽域组合循环发动机实用化具有决定性影响。应依据不同速域评估研判组合循环发动机技术进程和科学研究类型属性，选择适宜的技术路线开展研发工作。
2）Ma6级组合循环发动机技术尚未发展到可预期实用化程度。以高超飞机、两级入轨一级平台为应用背景的水平起降、重复使用、Ma6级组合循环发动机仍处于探索研究阶段，应持续开展基础研究和应用研究，继续保持方案多样化。
3）Ma4级组合循环发动机具备实用化研究基本条件。应积极规划开发研究、工程验证，推动实施Ma4级组合动力飞行器和组合循环发动机以能力形成为目标的科学技术专项计划。
4）水平起降、重复使用、Ma4级亚高超飞行平台具有超声速空中发射、空中试验、远程投送等平台功能和推动发动机技术应用模式变革的重大价值与战略意义。Ma4级飞行器及组合循环发动机是难以逾越的技术代际，是高超声速技术全面发展的重要支撑。通往Ma6的路需要经过Ma4。
作者简介：赵文胜，中国航天飞航技术研究院研究员，研究方向为固体火箭发动机、组合循环发动机、空天动力技术。
论文全文发表于《科技导报》2021年第17期，原标题为《组合循环发动机科学研究技术路线的优化》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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