组合循环(RBCC)推进技术

组合循环(RBCC)推进技术

[英文名称] Rocket-Based Combined-Cycle Technology

[定义]

1. RBCC推进技术基本概念

RBCC推进系统是火箭发动机与吸气式发动机的集成,是这两类发动机组合成的一体化推进系统。典型的RBCC发动机,如支架喷射(Strutjet)RBCC发动机随着从起飞助推、大气层内、冲出大气层和大气层外不同阶段飞行速度的提高,在同一流通通道内,相继采用5种模态工作。

(1)引射火箭或火箭/冲压发动机亚声速燃烧模态(Ma＝0～2.5);

(2)冲压发动机亚声速燃烧模态(Ma＝2.5～5);

(3)冲压发动机超声速燃烧模态(Ma＝5～8);

(4)上升大气层中超声速燃烧冲压/火箭模态(Ma＝8～12);

(5)大气层外单纯火箭模态(Ma＝12～25)。

2. RBCC发动机的分类

RBCC的基本出发点是结合火箭的高推重比和吸气式发动机的高比冲和高效率,提高航天推进系统的性能。航天推进系统在大气层中工作时采用吸气式推进技术,与全火箭推进系统相比,将减少自带氧化剂的数量。如果RBCC推进系统通过减少自带氧化剂所降低的质量超过该系统结构改变所增加的质量,就可以降低推进系统起飞时的总质量,从而进一步提高推进系统的推重比。

航天推进系统的发动机起飞总质量比WR与发动机空质量OWE(起飞总质量减去推进剂质量)、所需燃料质量Wf以及自带氧化剂与燃料质量之比(O/F)三种参数之间存在如下关系:

WR＝1＋Wf/OWF×(1＋O/F)

根据推进系统需要自带氧化剂的多少和发动机总质量比的高低,目前国外已经提出的RBCC技术方案大致可以分为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几种类型。

2.1 管道火箭和火箭冲压发动机

管道火箭利用火箭的高压排气引射空气,但空气与排气掺合后,空气中的氧未被利用进行补燃就排出发动机,这样排气质量虽有增加,但出口速度降低了。火箭冲压和管道火箭的区别在于火箭冲压还进一步利用被引射空气中的氧进行补燃。过去一直认为,这类发动机在起飞助推阶段(Ma＝0～1)的推力增益小于1;但超声速飞行时,推力增益则显著增加。近年来国外的研究得出起飞助推阶段这类发动机的推力增益同样可以大于1的结论，试验结果表明其推力增益能够达到1.13。管道火箭和火箭冲压发动机适于在Ma＜5～6时工作,能够节省燃料、提高比冲，但不能明显减少自带氧化剂质量.因而还不能显著降低推进系统的起飞总质量。

2.2 液化空气循环发动机和深冷火箭发动机

液化空气循环发动机(LACE)和深冷火箭发动机都用氢燃料冷却空气, 利用空气中的氧替代火箭发动机中的氧化剂。这类发动机充分利用燃料的热沉、作功能力和化学能,在热力循环上是一体化的,但在空气冷却的程度上两者有区别:LACE需要液化空气,因而冷却所需的

液氢流量通常是最大的;深冷空气火箭发动机只需冷却到液化前的气体状态,可以节省很大的液化热沉。分析认为,当飞行速度为Ma＜6时,因进气滞止后的温度升高不多这类发动机能够制备较多的液化或深冷空气,推进系统自带氧化剂数量较少,O/F≈1～2;如果在整个发射飞行过程中都采用这类发动机,则推进系统自带的氧化剂较多,O/F≈2.5～3.5。

2.3 火箭/亚、超燃双模态冲压组合发动机

火箭/双模态冲压组合发动机是国外目前研究最广泛的新型高超声速推进技术,该发动机随着飞行速度的提高,在几何调节的同一流通通道内,可以先后采用前述的5种工作模态工作。

目前,美国、俄罗斯的火箭/双模态冲压发动机已经进入飞行演示验证研制阶段。这类发动机能够达到O/F≈3，平均燃料比冲Isp≈500s,结构质量比PFR≈0.2,总质量比可降低到WR≈6～2.5,既能够用于大气层内的加速和加速/巡航飞行任务,如高超声速导弹;也能够用于将有效载荷送入地球轨道的航天运输任务。

2.4 液化或深冷空气火箭/超燃冲压组合发动机

这类发动机可以使O/F≤2,并能更好地实现火箭发动机的大推力与吸气式冲压发动机高比冲的结合,更适合于空天飞机的推进任务。

2.5 液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机

液化或深冷空气火箭/双模态冲压组合发动机采用液化空气分离和提纯系统,在低Ma 数飞行时通过液化和提纯将含有90%氧的液化空气储存起来,供火箭冲出大气层时使用。而富含氮气的空气作为旁路随即向后排放,提供额外推力。这类发动机在RBCC方案中是利用空气中的氧最理想的方案,可使O/F,WR≈2.5;但也是研制难度最大的RBCC方案。

上述5种RBCC方案中,第一类管道火箭和火箭冲压发动机只是在化学能利用方面实现了组合,而对燃料的作功和冷却能力并未充分利用。因此,这类RBCC的WR虽有降低,但对Wf、O/F的影响不大。另外4类RBCC方案分别有程度不同的一体化循环，即对燃料的冷却、作功和热能综合利用。这些发动机不仅可使O/F降低约50％，而且能降低Wf，因而使WR有更低的下降。

[国外概况]

1. 火箭/双模态冲压组合发动机的研制取得重要进展

虽然国外对各类RBCC推进技术都在进行探索研究,但是在火箭/亚、超燃双模态冲压组合发动机的研制上投入最多,因而这类发动机的研制进展也最快。美国、俄罗斯、法国等国在前些年系统方案和概念研究的基础上,已经历了地面直联式和自由射流试验验证,目前进入应用研究的飞行试验阶段。

1.1 RBCC技术具有广泛应用前景

美国航空航天局(NASA)的高度可重复使用航天运输(HRST)计划对组合式推进系统(CPS)、组合循环推进(CCP)、发射助推技术、革新的运载器推进系统4种发展高度可重复使用运载器的战略途径、20种各具特色的概念进行了不同程度的探讨，近期的研究结论认为，在未来运载器概念中引入RBCC技术具有很大的前景，这一途径很有希望。

1.2 证实了火箭冲压发动机在起飞状态能够提高推力

美国航空喷气(Aerojet)公司对支架喷射(Strutjet)RBCC发动机进行了13年的研究,包括对5种工作模态进行的1000多次部件或发动机的地面试验。近期的试验结果表明，火箭冲压发动机在起飞助推状态(Ma＝0)时火箭推力能够增加13%,在飞行速度为2.85Ma时,推力甚至可以提高109%。

1.3 进行了火箭模态向双模冲压模态转换的地面试验