涡轮组合循环(TBCC)推进技术发展

涡轮组合循环（TBCC）推进技术发展
1、引言
吸气式高超声速（飞行马赫数大于5）飞行器是未来军、民用航空器的战略发展方向，被喻为是继螺旋桨、喷气推进飞行器之后世界航空史上的第三次革命。

20世纪60年代，国外就开始投入巨资对此进行研究。

但是，由于遇到了许多技术上和经济方面的问题，其发展曾几度终止。

进入21世纪，国外进一步加紧了吸气式高超声速技术的研究，并且已经取得了大量研究成果。

到目前为止，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，还没有一种吸气式发动机能独立完成推进任务，因此国外提出了利用两种以上的发动机组合起来作为高超声速推进动力的构想，国外研究较多的高超声速飞行器组合动力包括火箭基组合循环（RBCC）动力装置和涡轮基组合循环（TBCC）动力装置两种类型。

目前，RBCC动力装置技术的发展已取得了巨大成功。

已经提出的RBCC方案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。

其中，火箭/双模态冲压组合发动机的研制投入最多，并开始进入了应用研究的飞行试验阶段。

已经完成的研究包括进行了火箭模态向双模态转换的地面试验并实现了冲压发动机亚燃模态向超燃模态转换的飞行试验。

涡轮组合发动机（TBCC）适用于M数5~8的高超声速飞行器，以TBCC为动力的飞行器可与普通的飞机一样工作，可重复使用（大于1000次任务，每年可飞行100次），用途多样，有灵活的发射和着陆地点，耐久性高，单位推力大，能采用普通的燃料和润滑剂、成本低，并有很低的运行成本和很好的安全性，是未来很有前途的高超声速动力概念之一。

以TBCC为动力的飞行器可采用现有的飞机地面设备实现革新的进入太空。

目前，美国、日本和印度等国都在发展TBCC技术，并准备在2006年以后进行地面试验验证，2009年开始飞行试验，到2025年~2030年左右可实际应用。

图1是TBCC的结构示意图。

2、国外TBCC技术的发展
2.1 日本TBCC技术的发展
日本从1989年开始实施超声速/高超声速运输推进系统（HYPR）计划，目的是为发展飞行速度M5的超声速/高超声速运输（SST/HST）飞机的推进系统奠定技术基础。

该计划证明了一种组合循环发动机（CCE）用于SST/HST的可行性。

该CCE是一种变循环的涡扇发动机（VCE）和采用甲烷燃料的冲压发动机的组合。

目前，日本已经发展并运转了世界首台组合循环发动机。

该计划为期10年，到1999年3月已经结束。

HYPR的工作过程是，在起飞和着陆状态，VCE的涵道比增加，以减少喷气噪声，在M 数3以下巡航时，VCE的涵道比减少，发动机单位推力更高，以优化燃油消耗。

在M3以上高超声速巡航时，冲压发动机工作。

参与该计划的包括日本和其他国际公司。

非日本公司提供了大量的试验，包括高空性能试验、冲压燃烧试验和噪声试验。

这项计划由工业科学与技术部国际贸易和工业部领导。

这项研究与发展计划由NEDO（新能源和工业技术发展组织）与HYPR协会（包括日本三家公司IHI、KHI和MHI）以及GE、联合技术公司、罗罗公司和SNECMA公司，四家日本国家实验室--国家宇航实验室（NAL）、机械工程实验室（MEL）和Osaka国家研究委员会（ONRI）支持该计划。

该计划大约耗资3亿美元。

在此基础上，1999年秋天，日本开始一个"为下一代超声速运输研究和发展与环境相适应的推进系统"（ESPR）计划。

该计划为期5年，该计划的重点是为下一代SST发动机发展必要的技术，实现一种可商业使用的SST推进系统。

该计划将对于实现下一代SST关键的减少CO2排放、噪声减少和减少NOX到作为重点。

三大发展目标是：1、机场噪声减少到ICAO 第3章-3dB，比目前的水平减少-18dB；2、减少NOX到5g/kg燃油（煤油）3、通过减少燃油消耗减少CO2排放-25%，减少CO2排放有两种途径：采用新材料和减少冷却空气需要量改善SFC。

2.2 美国TBCC技术的发展
目前，美国NASA正在先进空间运输高超声速计划（ASTP）下发展一种可在2025年投入使用的第三代有人驾驶太空飞行器，由格林中心负责推进系统的发展。

已经提出的推进系统方案包括RBCC和TBCC两种类型。

碳氢燃料的涡喷或涡轮冲压发动机作为M4以下的飞行动力，碳氢燃料的冲压/超燃冲压发动机将飞行器加速到M7~8或M12~15（氢燃料）。

NASA 的TBCC主要在革新涡轮加速器（RTA）计划下发展。

近期，RTA可用于高超声速巡航导弹和第一代攻击战斗机，中期RTA与冲压发动机组合可用于全球快速到达/攻击机，远期可用于进入太空的动力。

RTA计划将在目前涡轮发动机（如J58，最高飞行M数3）的基础上，到2010年使飞行马赫数增加25%，推重比提高250%，部件寿命周期提高2倍。

到2015年，使M数提高35%，推重比提高375%，关键部件寿命提高4倍。

RTA发动机的推重比将为15~20，M4~5。

2006年，NASA将在地面实验台上评估和验证TBCC先进的技术、适用性和性能、可靠性和耐久性，2009年进行TBCC的飞行试验，验证高速与低速推进系统的一体化和转换进行验证，并解决与关键推进/机体一体化有关的问题。

目前，美国GE公司已经获得了缩尺地面试验用发动机的合同，正在发展一种中等尺寸的（直径89~102cm）的发动机用于地面试验，威廉斯国际公司和艾利逊先进发展中心（AADC）正在竞争直径48cm的用于X-43B的发动机合同。

2003年，将决定X-43B飞行验证机用小发动机的合同商。

预计，2005~2006年，将最终决定所选择的RBCC或TBCC发动机系统。

中等尺寸的RTA地面试验发动机（GTE）将评估和验证M4以上的涡轮机械和达到M4所需的先进技术。

RTA的GTE将为全尺寸的50~60%并且验证机将采用所有辅助部件如燃油热交换器。

GTE主要评估M4以上的涡轮加速器的下列特性：发动机循环性能和适用性、高马赫数下的风车运转、全尺寸RTA的技术验证、高马赫数涡轮部件的可靠性和耐久性、热管理问题、涡论向冲压的模态转换、与发动机进气道和喷管的综合、燃油系统和冷却系统、发动机控制系统。

近期，RTA计划的重点是通过采用先进技术发展M数至少可达到4的并且维修性和操作性大大改善的涡轮加速器。

为此，将发展一个中等尺寸的地面系统级验证机，以提高建立一个涡轮加速器推进系统所需的技术准备等级。

目前，RTA计划正与其他NASA、DOD和学术界一道确定RTA目前可用技术的准备等级，并RTA与其他技术发展计划如UEET、IHPTET 和VAATE的协作，使投资得到最佳的利用。

RTA与高效的双模态超燃冲压发动机计划有关，该计划将提供与RTA涡轮发动机组合的超燃冲压发动机。

这个超燃冲压发动机是对X-43C的发动机的小改进。

此外，RTA计划也将确定X-43B飞行验证机用小尺寸TBCC推进系统的概念。

这将是一个涡轮加速器与一个超燃冲压发动机的组合推进，超燃冲压发动机在M4以上的速度工作。

X-43B飞行验证将研究与高M数飞行器用一体化革新涡轮加速器有关的问题，研究低速和高速推进系统的转换以及推进/机体一体化问题如高马赫数进气道和喷管。

参与RTA计划的包括NASA、MARSHALL 宇航飞行中心、格林研究中心、兰利研究中心、DOD、美国空军、美国海军、发动机公司包括GE飞机发动机公司、威廉斯国际罗罗艾利逊
先进发展公司、P&W公司、波音影子工作组/洛克西德马丁公司。

该计划采取综合技术小组（ITD）的发展途径，ITD是一个由政府、工业和学术团体组成的管理小组，对该项目提供指导和管理。

MARSHALL 宇航飞行中心负责项目的管理和技术发展，格林研究中心负责系统的研究和发展，吸气式推进技术发展风险减少计划，兰利研究中心负责推进/机体综合研究，X-43B的发展，双模态超燃冲压发动机的发展，美国空军负责技术顾问和技术发展，GE公司负责推进系统研究、技术买卖、风险分析/减少和试验，硬件发展和试验，威廉斯公司负责推进系统研究、技术买卖研究、风险分析/减少研究硬件研究和试验。

P&W公司负责双模态超燃冲压发动机，波音公司为中等尺寸的验证机和缩尺的飞行验证机发展推进要求。

3 TBCC的关键技术：
减少冷却损失的先进冷却概念：包括革新的冷却系统、材料概念、燃烧室的燃油冷却和吸热燃料或燃料添加剂；
（1）革新的燃油分布、控制、火焰保持、主动及被动燃烧控制，以扩展燃烧部件的适用范围，使发动机在更宽广的工作条件下工作；
（2）改进进气道的气动性能和适用性的新技术，包括高补偿亚音速扩散器和边界层控制，减少发动机未启动敏感性和在相同内部通道和双通道内不同推进概念的模态转换控制；
（3）新的可控的和可靠的喷管概念，效率提高，有推力矢量能力，包括研究各种几何和化学反应的计算喷管设计方法；
（4）使涡轮机械可在高速飞行条件下工作的部件和子系统技术。

包括轻重量的高压比压气机必须远离高温主要是空气流，采用先进的陶瓷/复合材料或微机电系统增强性能和减少成本和重量，陶瓷/复合材料涡轮机械部件的革新的寿命预测技术；
（5）碳氢燃料：不仅用于燃烧，而且用于热管理系统的吸热。

因此，燃料特性对于热管理和火焰点火/稳定是非常重要的技术；
（6）先进的材料：由于高M数涡轮发动机的进口总温非常高，1150℉（M4），1750 ℉（M5），因此使最高温度达到4000℉。

而目前的先进材料已无法承受如此高的温度（无冷却最高温度不能超过2200~2400F），必须发展先进的材料。