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　　内容简介

　　进入21世纪以来，高超声速航空发动机技术得到国际上的高度重视，我国也开展了积极探索，取得了重要进展。《中国高超声速航空发动机2035发展战略》主要介绍高超声速航空发动机的定义与内涵、科学意义和战略价值，从涡轮冲压组合高超声速航空发动机、涡轮/火箭基组合循环高超声速航空发动机、空气涡轮火箭高超声速航空发动机、强预冷高超声速航空发动机等方面介绍高超声速航空发动机的发展现状与趋势，凝练出高超声速航空发动机的关键科学问题、关键技术问题与发展方向，并提出高超声速航空发动机领域发展的相关政策建议。

　　目录

　　目录

　　总序/i

　　前言/vii

　　摘要/ix

　　Abstract/xxiii

　　**章 高超声速航空发动机的定义与内涵、科学意义

　　和战略价值/1

　　**节 定义与内涵/1

　　第二节 科学意义/3

　　一、气动热力循环与流动调控/4

　　二、燃烧组织/6

　　三、高效预冷、热防护与能量管理/9

　　四、材料制造与结构强度一体化/14

　　第三节 战略价值/16

　　一、高超声速飞机的动力需求/18

　　二、空天飞机的动力需求/20

　　三、低成本可重复使用航天运载系统的动力需求/21

　　第二章 高超声速航空发动机技术的发展现状与趋势/23

　　**节 发展现状/23

　　第二节 涡轮冲压组合高超声速航空发动机/25

　　一、发展概况/25

　　二、高速涡轮发动机/46

　　三、宽速域冲压发动机/60

　　四、爆震冲压发动机/87

　　第三节 涡轮/ 火箭基组合循环高超声速航空发动机/110

　　一、发展概况/111

　　二、TriJet发动机/114

　　三、TRRE/122

　　四、XTER发动机/128

　　五、GTRC发动机/142

　　第四节 空气涡轮火箭高超声速航空发动机/145

　　一、发展概况/146

　　二、常规布局空气涡轮火箭发动机/155

　　三、对转冲压空气涡轮火箭发动机/156

　　第五节 强预冷高超声速航空发动机/172

　　一、发展概况/172

　　二、PCTJ发动机/175

　　三、SABRE发动机/182

　　四、高超声速强预冷发动机与强预冷涡轮冲压组合发动机/197

　　五、多循环深度耦合预冷发动机/206

　　六、PATR/208

　　第六节 发展趋势/209

　　一、涡轮冲压组合高超声速航空发动机/209

　　二、涡轮/ 火箭基组合循环高超声速航空发动机/210

　　三、空气涡轮火箭高超声速航空发动机/211

　　四、强预冷高超声速航空发动机/212

　　第七节 发展规律/214

　　一、技术难度超出预期，组合方案*折前进/214

　　二、新兴技术不断涌现，新的材料工艺助推发展/214

　　三、科学技术难题交织，基础研究必须先行/215

　　第三章 高超声速航空发动机的关键科学问题、关键技术问题与发展方向/216

　　**节 关键科学问题/216

　　一、热力循环与控制/217

　　二、流动组织与调控/220

　　三、燃烧组织与调控/227

　　四、热防护与热管理/229

　　五、高温材料、先进制造与结构强度/232

　　第二节 关键技术问题/237

　　一、热力循环分析设计与流动燃烧调控技术/237

　　二、预冷与热防护技术/247

　　三、材料与结构技术/251

　　四、工艺、制造与检测技术/259

　　五、试验测试及低成本飞行验证技术/270

　　六、重复使用与可靠性技术/278

　　第三节 发展方向/281

　　一、发展思路/281

　　二、发展目标/281

　　三、重点研究方向/281

　　第四章 高超声速航空发动机技术领域发展的相关政策建议/283

　　**节 发展布局/285

　　第二节 政策建议/287

　　一、建立新型研发体制/287

　　二、设立基础研究计划/287

　　三、设立预研计划/288

　　四、设立空天动力国家实验室/288

　　五、加强试验设施建设/289

　　六、构建低成本试验台/290

　　七、加强数字化建设/290

　　八、建立知识产权共享机制/291

　　九、加强人才培养和国际合作/291

　　第三节 配套措施/291

　　一、设计能力/293

　　二、试验能力/294

　　三、人才培养/296

　　第五章 总结与展望/297

　　**节 总结/297

　　第二节 展望/300

　　参考文献/301

　　关键词索引/321

　　精彩书摘

　　**章高超声速航空发动机的定义与内涵、科学意义和战略价值

　　**节.定义与内涵

　　高超声速航空发动机是高超声速飞机的“心脏”，其核心能力是通过吸气式推进支持高超声速飞机像传统飞机一样在机场跑道起飞，然后爬升至25km以上高空，以马赫数不低于5飞行，*后像传统飞机一样下滑着陆，并且能长时间重复使用。高超声速航空发动机的典型特征是水平起降、宽速域、大空域、长寿命。实现途径是将涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等不同形式的发动机有机融合，并通过强预冷、等离子体调控、对转冲压、爆震燃烧、轻质高温材料、增材制造等新兴技术助推能力提升。

　　高超声速航空发动机是世界科技强国和航空航天强国的重要标志，是高超声速飞机研发中尚未解决的关键问题之一，也是其研发成败的关键。美国国家航空航天倡议(National Aerospace Initiative，NAI)、美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)空天推进系统技术路线图、美国空军高超声速技术发展路线图都明确规划了高超声速航空发动机的相关研发内容，但是研发进度一直难以匹配预期，是久攻未克的重大难题。

　　随着航空航天技术的不断进步，世界各航空航天大国纷纷提出了多种高超声速飞机以及空天飞机计划，开展了大量高超声速航空发动机技术的研究工作，论证了多种方案，尤其是随着超燃冲压发动机技术的逐步成熟，更是掀起了高超声速航空发动机技术研究的高潮。目前，单一动力形式的发动机(包括涡轮发动机、火箭发动机及吸气式冲压发动机等)都有其*佳的工作范围，存在适用范围相对较窄的短板。例如，涡轮发动机比冲高，但高度在20km或马赫数在3以上时很难用作推进装置;火箭发动机虽不受高度和速度的限制，但比冲低，重复使用性有待进一步提高;吸气式冲压发动机有较高的飞行马赫数，在大气层内无须携带氧化剂，在飞行器规模和重量上比纯火箭动力系统低一个量级，但机动能力较差，而且需要助推加速来解决低速起动问题。高超声速航空发动机工作速域更宽、空域更广、性能参数要求更高，突破了常规涡轮发动机的工作马赫数，与高超声速超燃冲压发动机相比，其工作速域更宽，并且可多次重复、长寿命使用。

　　高超声速航空发动机的共性技术特征包括以下四个方面。一是极宽范围：工作速域从零速、超声速到高超声速，工作空域从地面、稠密大气到临近空间。二是超大尺度：面向高超声速飞机和重复使用空天飞行器，高超声速航空发动机的尺度规模非常大，显著增加了发动机的捕获面积与长度。三是极高性能：全包线推力满足飞行器加速需求，结构紧凑、单位迎风面积推力大，推力重量比高，全包线燃油经济性好，加速段有效比冲越高越好，巡航段比冲越高越好。四是重复使用：重复使用次数不少于1000次，累计工作时间不少于数百小时，如图1-1所示。

　　不同动力形式的组合是高超声速航空发动机的传统发展思路，即将涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等不同形式的发动机进行组合，充分利用不同循环类型发动机在其*佳工作范围内的优势，拓展、突破单一循环航空发动机的工作限制和应用范围，使得高超声速航空发动机在大空域、宽速域范围均能工作，且能够保证大范围变工况条件下发动机性能始终较优。例如，将涡轮发动机与冲压发动机组合而成的涡轮冲压组合高超声速航空发动机，在低速飞行阶段中，涡轮发动机单*工作提供加速推力;在模态转换阶段，涡轮发动机和冲压发动机同时工作;在高速飞行阶段，冲压发动机单*工作。

　　组合发动机的主要问题是“死重”大、迎风面积大、推力连续性差、燃油经济性差。例如，对于涡轮冲压组合发动机，低速阶段冲压发动机是“死重”，高速阶段涡轮发动机是“死重”，而且长时间飞行时所需的电力供应难以得到保障。因此，通过预冷等新兴技术实现宽速域一体化循环，并通过等离子体调控、对转冲压、爆震燃烧、轻质高温材料、增材制造等技术实现助推能力提升，是高超声速航空发动机未来的发展趋势。

　　纵观国际上高超声速航空发动机近几十年的发展，其研发难度和研发周期大大超出预期，其中理论基础薄弱和技术手段缺乏相互交织，是久攻未克的重大科学和工程难题。因此，开展高超声速航空发动机技术研究，需要强化目标牵引、加强基础研究、注重自主创新，通过高超声速飞机目标图像牵引高超声速航空发动机技术发展，全方位加强基础研究，通过自主创新突破关键科学与技术难题，形成具有中国特色的高超声速航空发动机发展路径。

　　第二节科学意义

　　面向极宽范围、超大尺度、极高性能及重复使用等技术特征，高超声速航空发动机面临的技术挑战总结如下：为实现极宽范围工作，组合发动机面临不同动力热力循环的组合及融合，不同工作模态转换过程的失稳及控制，不同状态对流道需求差异极大及部件匹配难度高，可调流道高温动密封难度高，更高马赫数下高强度激波、高熵层、强黏性、高温真实气体效应现象突出，传统边界层分析方法和完全气体模型失效，燃烧与传热理论尚不被完全掌握等技术挑战。由于高超声速航空发动机尺度规模超大，所以面临大尺度流动控制、燃烧组织、结构力学、气动弹性等问题。此外，发动机均为承受高力热载荷部件，当前的制造工艺及试验手段无法满足研究需求。为实现全包线内优良的综合性能，面临发动机性能由单点设计*佳向多点设计*佳转变，结构轻质化水平要在当前技术的基础上提高至少一倍，燃料燃烧及冷却能力不足等极高挑战，性能、结构与控制要高度一体化来挖掘发动机的综合性能极限。面向多次可重复使用需求，面临高温高强结构及材料的失效问题，缺乏发动机重复使用基础模型、设计流程、可靠性评价手段及寿命预测方法。

　　高超声速航空发动机的技术难点可以归纳为极端热、宽空域、宽速域和重复使用，涉及热力、气动、燃烧、控制、传热、材料、制造与强度等多个学科方向，面临大量多学科前沿交叉问题。

　　开展高超声速航空发动机基础研究，揭示宽工作速域、长寿命使用、高推力重量比、高比冲约束条件下的热力循环、流动调控、燃烧组织、热质传递、轻质高温材料、制造形性调控、结构损伤演化、一体化控制等机理，具有重要的科学意义。高超声速航空发动机基础研究还将催生极端条件下流—热—固—化耦合能质传递学、复杂超高温结构力—热—声—氧耦合失效学等交叉学科新方向，也将推动从传统航空发动机先性能设计后强度评估的弱耦合、解耦研究范式，上升到高超声速航空发动机极端条件下的多物理场强耦合研究范式。

　　一、气动热力循环与流动调控

　　热力循环是决定高超声速航空发动机性能的理论基础，气动优化与控制是支撑其气动热力性能实现的关键。目前，单一类型的发动机无法完成从零速到高超声速宽速域推进的任务，组合或复合是必由之路，但是简单叠加、分段使用，导致“死重”大、阻力大、推力接不上，飞行器难以有效加速。因此，高超声速航空发动机的宽速域工作特性对热力循环与气动耦合设计能力提出了全新要求，必须从新概念、新工质、新材料等方面推动新型气动热力循环的发展，深入揭示各系统间热—功转化及参数耦合机制。新型气动热力循环是决定高超声速航空发动机性能的理论基础，新型气动热力循环与单项变革技术的融合发展是高超声速航空发动机技术的发展趋势。美国国家航空航天局空天推进系统技术路线图提出在2020～2025年选择热力循环的技术路线。

　　高超声速航空发动机存在多种单一循环发动机共同工作的过渡区，如何实现过渡过程中的推力平稳过渡，即如何消除“推力陷阱”是组合循环发动机设计的核心难题。以涡轮冲压组合发动机为例，为了充分利用涡轮发动机比冲高的优点，希望涡轮发动机马赫数由当前的2提升至3甚至是4，以实现与冲压发动机的良好接力，*佳的两种循环发动机接力区马赫数为2～3。然而，随着马赫数的升高，来流空气总温也随之升高，使得压气机功耗急剧增加，极大地限制了涡轮发动机的*高马赫数。因此，如何实现不同组合循环发动机在循环过渡区热力参数的匹配设计，实现推力的平稳过渡，是高超声速航空发动机新型热力循环的核心难题。

　　除了组合循环发动机这种通过新型热力循环构建来拓展高超声速航空发动机工作范围的途径之外，预冷、对转冲压、爆震燃烧、化学回热等新技术是提升、拓展高超声速航空发动机性能的另一个重要途径。这类新技术能够通过单个热力过程性能参数的提高来实现整个热力循环性能的提升。因此，掌握预冷、对转冲压、爆震燃烧、化学回热等新技术的基本原理和内涵及其所对应热力过程的优化设计方法，以指导关键热力过程及部件的设计，具有十分重要的基础理论研究意义。

　　进气预冷已发展成为当前提高常规航空涡轮发动机工作马赫数的有效手段之一，将燃料作为冷源，通过在压气机入口布置预冷器，采用直接换热或者间接换热的方式，可显著降低压气机入口空气的温度，大幅降低压气机功耗，从而提高航空涡轮发动机的循环效率。另外，构建了高效的预冷涡轮发动机循环，理论上可将涡轮发动机的工作马赫数由2提升至5。但是在高马赫数时，进气预冷带走的热量较高且燃料的热沉有限，通常进气预冷中冷却所需消耗的燃料高于燃烧用量。例如，日本发展的膨胀式空气涡轮火箭(air turbo rocket expander，ATREX)发动机系列预冷涡轮组合循环发动机，马赫数为5时仅预冷消耗的氢燃料流量约为燃烧用燃料流量的3倍，多余的2倍燃料只能被抛弃，大大降低了发动机性能。同时，燃料作为发动机唯一可用冷源，需要满足发动机冷却与进气预冷的双重需求，这加剧了燃料冷源不足的问题。因此，有限冷源下高超声速航空发动机热力循环优化，是采用预冷技术的高超声速航空发动机*核心的热力学问题。

　　高超声速飞行器特殊的气动布局使得飞行器的动力学系统呈现出气动、推进、结构、控制之间相互耦合的复杂特性。发动机的推力不仅与发动机自身特性有关，而且与攻角、激波角位置、机体前体下表面高压区的分布压强有关。这些因素在不同程度上决定了发动机进气口的状况，而进气口的状况又直接影响了燃烧情况，进而决定了发动机的推力大小。这种多物理、多参数的耦合优化问题是一个新的基础科学问题。

　　高超声速航空发动机的流动组织与性能维持，在很大程度上依赖子系统边界拓展、推力补偿、综合性能寻优等气动优化理论的发展，也亟待气动增稳机制、智能感知监测、协同控制机理和鲁棒控制方法的突破，深入研究宽域高效热力循环与流动组织机制，实现高效能热功转换循环、宽工况气动布局优化设计、高精度自适应协同控制，*终实现宽域高效的高超声速航空发动机。在这一过程中掌握的预冷、对转冲压、爆震燃烧、化学回热等新技术的基本原理及内涵、热力过程的优化设计方法，对促进力学、热物理学等学科的基础理论发展具有引领作用。

　　二、燃烧组织

　　对于一个长度合理的高超声速航空发动机，流体的驻留时间只有毫秒量级，在有限时间内实现理想的掺混是*终产生热量和推力等一系列复杂物理过程的决定因素。掺混过程在实际发动机中非常复杂，包含三维的湍流流动并伴有大的速度梯度，以及化学组分和温度的变化。流动的掺混过程与燃烧放热和化学组分的变化紧密耦合。在超燃冲压燃烧室中，这些过程的时间尺度相近，进一步加强了流体动力学与化学动力学之间的耦合作用。在如此强