预计今年试飞!中国高超音速突破:组合动力、变马赫数模态转换成功

5月3日，西安航天动力研究所公众号发布了一篇“吸气式组合动力”的八股文，文中以非常朴素的文字记录了“青年文明号吸气式与组合动力研发中心五组”的事迹，但各位高超爱好者却对敏锐的发现了寥寥数语一笔带过的高超组合动力，而且更让人激动的是该发动机将于今年试飞！

组合动力、变马赫数模态转换成功：八股文到底说了什么？

大家都喜欢把国内关于科研进步的文章称之为八股文，因为文中是两个极端“什么都说了”但又“什么都没说”，业内人士一看就知道又有什么技术被突破了，外行人却傻傻看不明白，所以经常需要有专业人士解读才能看得明白：

“涡轮基组合动力规划出空天跨域的最佳航迹，肩负着实现未来空天飞行器单级入轨的伟大使命。”
“他们承担涡轮基组合发动机系统、控制、传热、气动、总装等专业方向，负责吸气式领域“三机并行”发展战略中的两型组合动力。”
“完成某重点型号高压氢供应系统联试、联合动力试验、自由射流试验、力学环境试验等系统级试验考核，并于9月顺利交付总体飞行试验。”
“历时9个月63次系统级试验，五天四次大型试车次次成功”
“2022年11月先后两次完成国内首次某组合动力变马赫数模态转换试验，模态转换过程顺利，推力衔接平稳，为该型号在下一年度的飞行试验奠定良好基础”

以上是笔者从文章中摘录出的关于该发动机的描述，从这个描述中可以看出如下几点：

• 1、这是一种涡轮基组合动力；
• 2、高压氢供应联试：表示燃料中用到氢；
• 3、自由射流试验：表示已经在高空台成功测试；
• 4、五天四次大型试车次次成功，表示已经非常成熟；
• 5、下一年度的飞行试验：2023年装机飞行测试；

这是解读出的基本信息，高超音速爱好者看到到这些描述应该有点数了，但仍然无法确认是哪种发动机，本文试着来分析下，究竟是哪种发动机搞定了！

涡轮基组合动力：究竟是哪种？

说起高超音速发动机，很多朋友立马就想到了超燃冲压发动机，这种发动机使用碳氢燃料（比如航空煤油）时最高能达到7倍音速，用氢燃料时能达到10倍音速以上，但它有一个缺点，无法零速度启动，所以目前突破的大都是超燃冲压或者其他类型的组合发动机，目前大概有如下几种：

• 1、涡轮冲压组合发动机（TBCC）；
• 2、火箭冲压组合发动机（RBCC）；
• 3、空气涡轮火箭/冲压发动机（ATR）;
• 4、协同吸气式发动机（SABRE）；
• 5、涡轮辅助火箭增强冲压发动机（TRRE）

简单一点理解TBCC就是涡轮喷气发动机+冲压发动机组合，Hermeus的Chimera（奇美拉）发动机就属于这一种，2022年11月17日，这种组合式发动机在圣母大学涡轮机械实验室的超音速风洞中成功实现了从涡轮模式到冲压模式的转换。

从涡喷转到亚燃冲压

但这种发动机有一个缺点，因为涡喷发动机无法达到4~5马赫的超燃启动速度，因此TBCC一般都是先开启亚燃然后再切换到超燃冲压发动机，但4~5马赫速度是冲压发动机“推力鸿沟”，这个速度下工作极端不稳定，因此TBCC先要突破5马赫进入超燃非常困难。

RBCC是火箭基冲压发动机，整合了火箭发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机，共有四个工作模态：引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态等三个吸气模态和纯火箭模态，优点是过度不稳定期可以用火箭动力弥补，缺点是低速下火箭比冲低，经济性不太好。

ATR是空气涡轮火箭/冲压发动机，这种发动机使用火箭燃气推动涡轮吸气再混入燃料，类似加力发动机的工作模式，由于推动涡轮的是火箭燃气，也存在比冲低（比纯火箭比冲要高很多）的情况，不过结构相对简单，比较适合导弹等需要高速的场合。

ATR

吸气协同式发动机使用预冷式进气（对进气流极速冷却，增加流量）再经过涡轮压缩直接送入火箭作为氧化剂，可以将其称为“吸气式火箭”，性能优秀，一台发动机从地面起飞可以直接进入太空。缺点是结构太复杂，难度相当大。

TRRE是将涡轮火箭以及冲压发动机整合在一起的一种高度集成的发动机，差不多就是TBCC和RBCC的组合体，消除了两者的缺点，整了和两者的优点，可以算是一种比较完美的发动机类型。

到底是TBCC还是TRRE？

介绍了5种组合式发动机，不过能被称为涡轮基组合发动机的TBCC和TRRE，TBCC的问题是串联无法超过5马赫，并联有“4马赫推力鸿沟”，其实问题都差不多，但TREE却没有这个问题，因为TREE的结构比较特殊，在推力鸿沟时使用火箭发动过渡，完美解决了这个问题。

TREE的发动机结构可以看成是并联式TBCC+引射火箭组合，其结构是上半部分为低速通道涡轮喷气发动机，下半部分亚燃&超燃冲压发动机+引射火箭，两者共用尾喷管，其工作流程是这样的：低速通道涡轮喷气发动机启动并推进到2马赫，然后启动高速通道冲压模态后，在亚燃冲压模态过渡期开启引射火箭稳定过渡。

另外亚燃冲压发动机在加速到4马赫进入“推力鸿沟”后开启引射火箭继续加速越过不稳定的模态进入稳定的超燃冲压模态，在这个过程中，模态之间转换由于存在火箭“打辅助”所以模态转换非常稳定，因此这种发动机能获得比较稳定的工况。

TRRE的工作模态转换

另外超燃冲压发动机用煤油燃料可以达到7马赫左右，氢燃料可达10马赫以上，速度再高可以启动引射火箭，进入纯火箭模式（当然也可以不启动，在合适高度继续使用超燃冲压模式），另外由于存在引射火箭，即使降低速度也可以再次提速重新进入超燃冲压模态，实在是非常灵活。

“2022年11月先后两次完成国内首次某组合动力变马赫数模态转换试验，模态转换过程顺利，推力衔接平稳”

结合使用高压氢燃料，笔者推断测试的这台发动机应该是采用了TRRE模式，并且还进入了超燃冲压工作模态，否则切换过程也不会那么顺利，也没必要使用氢燃料。当然这只是一个猜测，各位有不同意见的可以在文末留言探讨。

高超音速发动机：究竟用在哪种飞行器上？

在西安航天动力研究所发表这篇“八股文”中，最让大家激动的还是在2022年说的明年试飞，也就是2023年，今年已经快过半，但是试飞的消息似乎还没有传出，或者说保密级别很高外界不得而知，不过这也不妨碍大家分析下究竟会装在哪种飞行器上。

能使用这种TRRE发动机的飞行器，基本属于高超音速、亚轨道以及单级入轨的飞行器，目前我国有两种公开的概念飞行器可以满足这个要求：

• 1、云龙动力单级入轨飞行器；
• 2、腾云工程二级入轨空天飞机；

熟悉云龙动力的朋友估计应该已经知道，TRRE不是给它用的，云龙动力单级入轨使用的协同吸气式发动机，也就是上文介绍过的“协同吸气式发动机（SABRE）”类似的版本，上文简单介绍了工作原理，就是一种预冷的涡轮基火箭，将大气层中的空气压缩作为火箭发动机的氧化剂来源，在一定高度后无法满足吸气条件后直接转为纯火箭模式，完成单级入轨。

这种不属于组合式发动机，而是属于“协同吸气式发动机”。就目前公开的资料，腾云工程二级入轨应该用的就是TRRE发动机，这种飞行器的工作模式是这样的：

母机带着子机在跑道上启动涡轮喷气发动机，推进到两马赫，然后再启动亚燃冲压发动机与引射火箭完成涡喷到冲压的模态过渡，然后在4马赫时再用引射火箭完成亚燃超燃模态过渡，最终进入超燃冲压工作模式。

最终超燃冲压发动机将母机推进到10马赫左右，高度约为30~40千米的高空，此时的高度已经难以支撑超燃冲压发动机工作，子机与母机分离，子机启动火箭发动机逐渐加速到第一宇宙速度进入近地轨道，母机返回机场等待下一次任务。

这就是腾云工程二级入轨空天飞机的工作流程，这个计划最早是2016年9月13日，中国航天科工集团公司副总经理刘石泉日前在武汉举行的第二届商业航天高峰论坛上首次披露的，此前央视曾报道，2025年前将具备可重复航天运输系统工程应用能力！

就目前的发动机进展而言，腾云工程的计划在2030年前实现二级入轨还是有可能的，那些消耗大量燃料与氧化剂、荷载比在2.5~3%的火箭成本实在是太高了，未来的航天发射，空天飞机将成为主流，而火箭最终将完成历史使命。