未來式先進空天推進系統——火箭基組合發動機

「學問空天，知識未來」空天科普大賽第一季

論文編號: KT014

目前世界上現有的動力系統中，各類航空發動機、火箭發動機、衝壓發動機以及活塞發動機各有各的優勢與劣勢。航空發動機雖性能高，但是很難用於高度20Km或速度3.0馬赫以上飛行器的動力系統。火箭發動機其工作範圍不受限制，但性能偏低，推進劑消耗大。衝壓發動機有較好的性能和飛行馬赫數，但飛行機動性較差，且需要助推器解決初速度問題。為了能更好的將這些動力系統的優勢集中，研究者提出了一種組合循環推進系統的構想。其中有三種基本形式：空氣渦輪火箭（ATR）、基於渦輪的組合循環推進系統（TBCC）、火箭基組合循環推進系統（RBCC）。

三種組合動力推進系統

TBCC動力系統是由渦輪噴氣發動機與衝壓發動機有機結合的，起飛階段由渦輪發動機工作，到達約3馬赫時，渦輪進發動機關閉，啟動衝壓發動機，繼續工作。

(TBCC示意圖)

ATR動力系統由壓氣機、渦輪、混流腔和燃燒室組成。其使用獨立的燃氣發生器驅動渦輪帶動壓氣機工作，壓縮空氣在燃燒室與富燃燃氣進行燃燒，高溫燃氣通過尾噴管產生推力。

英國「佩刀」協同吸氣式火箭發動機

而火箭基組合循環推進系統（RBCC）則是有機的結合了高推重比、低比沖的火箭發動機和低推重比、高比沖的吸氣式發動機，是航天推進系統高效性和經濟性的最佳組合。

（RBCC推進系統示意圖）

RBCC將火箭發動機和吸氣式推進系統有機的結合在一起，在大氣層飛行時啟用吸氣式發動機並利用大氣中的氧氣，從而代替部分自帶氧化劑以減輕飛行器起飛質量，達到一定速度和高度後，採用純火箭模態，關閉進氣道，使用自身攜帶的氧化劑，因此工作範圍不收限制。

RBCC研究及基本特徵

早在20世紀60年代，美國就對此進行了大量的研究，迄今為止，美國、日本、俄羅斯和歐盟等國家和地區紛紛開展了對組合動力推進系統的研究工作，均取得一定的成果。而我國於2014年掛牌成立了組合動力研究中心，近年開始研究空氣渦輪火箭/衝壓組合循環推進系統（Turbine Based Combined Cycle）。今年中國航天科技集團表示：計劃利用3-5年的時間掌握相應的關鍵技術，在2030年左右實現應用目的，達到亞軌道應用和入軌應用這種模式。

（TBCC渦輪組合火箭發動機）

這種組合推進系統，特別是火箭基組合循環推進系統，如此受到各國青睞，它與傳統的推進系統以及TBCC、ATR有何不同呢？

首先，相較於傳統推進系統（各類航空發動機、火箭發動機、衝壓發動機等），其工作範圍覆蓋地面到外太空，能以吸氣模式推動飛行器到達5倍聲速、26Km左右的高度，充分利用大氣層中的空氣。如果從地面出發僅通過一次模態轉換就能實現單級入軌，這是TBCC、ATR也無法做到的。其次，RBCC與另外兩個組合推進系統不同在於自身攜帶了火箭發動機使用的推進劑，故可在大氣層外飛行。而在結構尺寸方面：與渦輪機相比，火箭發動機推重比大，尺寸較小，就有可能縮小整個動力系統的尺寸。就目前的單/雙級入軌動力系統而言，RBCC無疑有著巨大的優勢。

RBCC的主要特點：

1.起飛階段，可充分利用火箭發動機加速好的優點，同時引射而來的空氣可以產生一定推力，提高發動機比沖。

2.火箭基組合循環推進系統是單級入軌飛行器方案動力選項之一，垂直發射，水平著陸比水平起飛，水平著陸能縮短在大氣中滯留的時間，進而節省推進劑。

3.可大範圍變軌工作：工作範圍不受高度限制。

4.結構尺寸方面：由於火箭發動機推重比大，尺寸小。這就可能縮小整個動力系統尺寸。

5.氧化劑僅攜帶外層大氣工作的需求量。減少推進劑攜帶量，增加有效載荷

推力曲線

比沖曲線

RBCC技術難題

儘管RBCC有著如此的誘惑力，但是對於目前而言，RBCC技術仍未達到成熟的地步，還有許多關鍵技術有待更好的解決。

（1） 進氣道設計

目前對0馬赫狀態的引射增益研究已經取得很大的成績，研究表明引射特性隨飛行馬赫數的增加而增加。但在來流不斷變化的條件下，進氣道的波系組織、喉部位置設計等相當複雜，還有待繼續研究。

（高超聲速飛行器進氣道設計）

（2） 熱交換器設計

熱交換器是用於在2種不同溫度的流體間實現熱量交換的一種裝置，通常一種流體位於管路內，另一種則包圍在管路外以實現介質間的間接熱交換。為冷卻高溫高速來流，需要通過熱交換器將來流降至合理的溫度，從而進入燃燒室供應燃燒。

（3） 火箭推重比大，但比沖較小，因其不能利用大氣層中的氧，而吸氣式發動機比沖大，推重比小，這是因為氣體壓縮功率大燃燒室壓力也低。如何協調這兩者也是一個難題。

（4） 大氣中含有大量的氮氣，如何處理這部分氮氣也是循環組織性能好壞的一個重要標誌。

（5） 機身一體化設計

在大氣層中高於6倍音速的飛行時，空氣阻力將急劇上升，其外形必須高度流線化，所以RBCC將全部被包裹在飛行器機身之中，但其最複雜的在於，為了調節進氣量，使發動機產生額定的推力，進氣道與尾噴管的幾何形狀要隨著飛行速度變化而相應調整，還要保證其材料有足夠剛度和耐高溫性，能承受再入大氣層時的高溫高速氣流衝擊，從而實現重複使用。

高超聲速飛行器流線型設計

未來發展

《2016中國的航天》白皮書發表，對於空間運輸系統是如此表述的：

「研製發射無毒無污染中型運載火箭，完善新一代運載火箭型譜，進一步提升可靠性。

開展重型運載火箭關鍵技術攻關和方案深化論證，突破重型運載火箭總體、大推力液氧煤油發動機、氫氧發動機等關鍵技術，啟動重型運載火箭工程實施。

開展低成本運載火箭、新型上面級、天地往返可重複使用運輸系統等技術研究」

可見，未來幾十年我國也將在這類新型空天推進系統上加大研究力度，而能在更大空域內自由航行，廉價快捷進入太空這一直以來就是全人類的夢想與追求。RBCC等這類顛覆性動力系統無疑給人類帶來了希望。但與此相關的火箭發動機所攜帶更多推進劑與吸氣式組合動力系統因本身質量增加所帶來的效益究竟如何，是否真能做到大幅度減輕起飛質量還有待繼續研究。

參考文獻

【1】張蒙正，李平，陳祖奎。組合循環動力系統面臨的挑戰及前景 火箭推進 2009,35（1）

關於「學問空天，知識未來」空天科普大賽

「學問空天，知識未來」空天科普大賽為有獎科普作品大賽，由《未來空天》和《問空天》微信公眾號共同發起主辦，《無人機》、《天儀SPACETY》、《語宙》、《航天愛好者》、《HorizonX》、《凱思拓探索》、《風洞之家》、《5S微空天》、《看空天》、《湖南省宇航學會》等微信公眾號合作協辦。大賽得到陝西省宇航學會全力資助，同時獲得長沙天儀空間科技研究院有限公司、北京九天微星科技發展有限公司等的大力支持。大賽設一等獎1名，二等獎4名，優勝獎10名。一等獎2000元，二等獎1000元，優勝獎價值200元禮品。同時，各獎項頒發印製精美的大賽獎牌。

作者投稿時，請將作品發送至下述郵箱，並註明參加科普大賽。

投稿郵箱：

聯繫電話：

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 未來空天 的精彩文章: