高超音速空天發動機首飛，速度3倍於殲20，空天飛機何時問世？

今年上半年隨著長徵五號B型遙一運載火箭成功發射標誌著我國進入太空能力突破22噸，正式躋身世界航天第一梯隊。9月上旬一款被稱之為「可重複使用試驗太空飛行器」成功發射則預示著我國進入太空能力進入新紀元。

長徵五號B遙一運載火箭

就在「可重複使用試驗太空飛行器」成功回收還不到一個月的時間裡，航天科技六院第11研究所在西北大漠深處某靶場又進行了一次具有世界級意義的組合動力試飛任務。

航天領域經常說「運載火箭運力有多大，航天舞臺就有多大」，傳統運載火箭使用的皆是不依賴空氣推進的火箭發動機，需要攜帶大量氧化劑導致箭體異常龐大，動輒數百上千噸，同時還存在運載效率低、任務靈活性低、箭體及燃料製備成本高等一系列先天缺陷。

這些缺陷在航天需求欠發達的過去並不顯著，但隨著進入軌道空間需求呈幾何級提高，在可預見的將來必然需要一種具有革命性意義進入太空的新手段。

單級入軌組合動力飛行器構想

另闢蹊徑的組合動力飛行器可以全面克服運載火箭的性能劣勢，它不僅能在大氣層內高速飛行，也能在大氣層外的太空空間進行軌道飛行，是既能航空也能航天的「空天飛行器」。

超燃衝壓發動機風洞點火試車

飛行器從地面起飛進入太空需要連續跨越三大高度層，首先是海拔30公裡以下空域，這裡是傳統吸氣式航空發動機的工作空間，30公裡至60公裡高度層則因為大氣含氧量稀薄，傳統吸氣式航空發動機由於氧氣攝入量過低導致無法正常工作，這也是為什麼絕大多數飛機最高升限難以突破3萬米的根本原因，傳統解決辦法就是自備氧化劑的運載火箭。

運載火箭與飛機一樣在起飛階段最消耗燃料，這也是為什麼幾乎所有火箭的第一級箭體發射質量通常高於二三級的原因，火箭為了獲得更快飛行速度還配置有數量不同的助推器，導致火箭起飛級重量呈幾何級提高。

長徵五號起飛級

以長徵五號運載火箭為例，包括第一級箭體與四枚助推器在內的起飛級發射質量就超過800噸，佔據整箭發射質量的90%以上。

基於組合動力的空天飛行器則是在機場跑道依靠吸氣式發動機滑跑起飛，不需要依靠自備氧化劑。

空天飛機滑跑起飛

進入30公裡以上大氣稀薄空域後啟動衝壓發動機進行高超音速飛行，它同樣是不依賴氧化劑的吸氣式發動機，因此起飛級質量可以實現大幅度下降，同時吸氣式發動機的平均比衝極具優勢，可以獲得更高的運載效率。

當飛行器進入60公裡以上高度層，雖然還沒突破100公裡太空邊界卡門線，在這裡任何吸氣式發動機都已無法工作，此時火箭發動機只需極少的燃料消耗就可以將載荷送入太空。

6萬米以上空域吸氣式發動機無法工作

適應不同高度層的渦輪發動機、衝壓發動機、火箭發動機進行有機融合就構成了「組合動力」，組合動力發動機並非簡單的拼湊組合，而是根據不同需求與研發條件形成多種動力組合方案加以實現。

在組合動力發動機領域經過各國科研人員數十年研究形成了兩位數量級的組合方案，可謂是條條大路通羅馬，基於不同的引射模式可以歸納為「渦輪基」與「火箭基」兩類動力方案。

兩級空天飛機入軌二級翼身組合體構型

任何一種組合動力在兩級空天飛機分離點之後的飛行時段中使用的都將是火箭動力，因此區分「渦輪基」與「火箭基」的標誌就是一級動力中是否有火箭引射模塊。

各大國從上個世紀開始都在爭相發展組合動力，但由於技術難度極高不論是渦輪基還是火箭基組合動力大多都處於理論研究或者地面試驗階段，沒有任何一款組合動力發動機實現過超燃衝壓動力的多模態轉換，這一局面直到我國航天科技六院11所的此次試飛任務大功告成才得以終結。

西北某靶場

那麼，此次西北大漠試飛的組合動力飛行器究竟屬於哪一類型呢？從官方報導通稿中可以體會一二：

「2020年金秋清晨，位於我國西北的某靶場上，伴隨著巨大的響聲，一支穿雲箭劃破寧靜，縷縷白煙在藍天與黃沙的映襯下分外惹眼，仿佛架起天與地連接的橋梁。」。

可以判定在起飛階段該飛行器是火箭助飛，但據此並不能判定它究竟是「火箭基」還是「渦輪基」。

嘉庚一號雙乘波體高超音速火箭測試平臺

近幾天一篇廣為傳播的文章將此種方案稱呼為「TBRCC」，並將該方案的提出方強行安在航天科技11所身上，同時又單純的將此種方案簡單地歸納為「渦輪-火箭-超燃衝壓」，從組合動力構型到研製方所有的信息都是錯誤的。

首先提出基於渦輪輔助火箭基組合動力方案的並非航天科技集團，而是航天科工集團的「TRRE組合動力方案」，該方案是基於渦輪、火箭、衝壓三組合的渦輪輔助火箭增強衝壓組合循環發動機。

航天科工集團TRRE組合動力空天飛機

注意三組合最後一環是「衝壓」，並非直接進入「超燃衝壓」，而是包含了亞燃衝壓與超燃衝壓兩種工況，此一模態發動機也被稱為「雙模態衝壓發動機」，大洋彼岸多年前試飛的X-51A就是雙模態衝壓發動機，但該飛行器並非組合動力。

航天科技11所試飛的飛行器並非TRRE渦輪、火箭、衝壓組合動力，而是火箭、衝壓雙組合典型的火箭基組合動力RBCC方案，可以實現火箭-火箭/衝壓、衝壓三種動力模態的轉換。

其飛行過程中的動力轉換基於火箭基組合動力原理大致如下：

嘉庚一號火箭測試平臺點火起飛

先由起飛級火箭加速至2-3馬赫，緊接著就是器箭分離，同時火箭動力啟動，將飛行器加速至4馬赫，火箭動力模塊與衝壓發動機一體化並聯設計，在火箭引射作用下衝壓發動機實現亞燃衝壓點火，進入亞燃衝壓模態後火箭動力隨即關閉，當飛行器進入5馬赫以上速度後，火箭動力再次啟動與亞燃衝壓同時工作旨在進入超燃衝壓工況，進入超燃衝壓飛行工況後飛行器將達到7馬赫的高超音速飛行模態，同時火箭動力關閉。

在此之前世界各國對火箭基RBCC方案進行了長達數十年的科研攻關，但沒有任何一款此種動力進行過試飛，由此可見其技術指標實現的艱難性。

超燃衝壓點火試驗

以此次試飛為例有三大技術挑戰：

1.氣動布局需要適應4至7馬赫（相當於殲20最高速度的3倍）不同速度狀態下的推阻平衡，而且還要實現有效加速；

2.不同速度條件的機體熱防護，以及組合動力內部的熱管理同樣是世界級難題；

3.組合動力長時間工作對發動機可靠性提出了更高要求。

西北某靶場

令人意外的是，此次試飛的火箭基組合動力飛行器回收後經檢查發現產品完好度極高，這就為「重複使用」打下了更為堅實的基礎。遙測數據表明飛行器完成了所有項目考核，發動機各項性能全部超出地面試驗結果和預期水平，試飛取得了超圓滿成功。

航天科技集團11所火箭基組合動力飛行器實現了世界第一次以超燃衝壓動力模態為目標的高超音速試飛，但卻並不是我國第一次組合動力試飛，因為早在2018年航天科工集團就實現了騰飛一號組合動力飛行試驗。

騰飛一號組合動力飛行試驗

不同於航天科技集團的此次試飛目標，航天科工集團騰飛一號兩年前的試飛並沒有實現超燃衝壓動力模態飛行，而是亞燃衝壓模態飛行，航天科技集團此次組合動力試飛也可以說是後來居上（但這並不意味著航天科工集團發展進度的滯後，畢竟騰飛一號是兩年前的技術成果。）。

航天科工集團之所以能夠領先航天科技集團兩年時間實現組合動力首飛，得益於前者多年來的衝壓飛彈研製經驗積累，例如，DF-100與鷹擊-12兩款亞燃衝壓動力超音速飛彈。

DF-100

在航天科技與航天科工兩大集團先後實現組合動力飛行試驗的當下，代表人類進入太空最高技術水準的空天飛機何時能夠問世呢？

首先要明確空天飛機的準確定義，這是一種水平起降，能夠在大氣層內外空間飛行的空天飛行器。現階段類似X-37B類型的可重複使用太空飛行器仍然屬於太空梭定義，因為它需要藉助運載火箭垂直發射入軌，顯然水平起降是空天飛機的標誌之一。

發射X-37B的阿特拉斯-5型火箭

組合動力發動機各動力模態需要速度疊加，例如火箭動力模態可以滿足亞燃衝壓點火的起始速度，亞燃衝壓與火箭聯合工況下可以滿足超燃衝壓點火起始速度，那麼要想實現水平起飛功能，就必須在起飛階段引入渦輪輔助動力，並至少達到2馬赫飛行速度方可替代火箭起飛級。

航天科工騰飛一號與航天科技11所的組合動力都屬於火箭基組合動力產品，兩次試飛任務的起飛級皆由運載火箭將組合動力飛行器助飛至2馬赫以上飛行速度，也就是說兩者目前皆無法實現水平起飛功能，但超圓滿完成的4至7馬赫高超音速組合動力模態轉換試飛已經打通了最艱難的技術關卡。

騰雲兩級空天飛機工程

至於何時實現兩級入軌空天飛機，航天科技與航天科工兩大集團分別制定了不同的技術路線與時間表。

航天科工集團基於吸氣式衝壓發動機研製經驗優勢制定了領先航天科技集團的時間表，騰雲工程計劃2030年實現兩級水平起降空天飛機首飛。

騰雲工程鎖定2030年

航天科技集團則在2017年全球航天探索大會上公布了「升力體式重複使用運載器三步走發展思路」：

第一步，帶翼火箭垂直起飛，由二級火箭動力模塊將載荷送入太空，帶翼火箭起飛級返場水平著陸，實現部分重複使用功能；

第二步，帶翼火箭垂直起飛，二級組合動力飛行器將載荷送入太空，實現一二級完全重複使用；

升力體式重複使用運載器三步走發展思路

第三步，第一級是基於渦輪輔助的火箭基組合動力飛行器，二級則是火箭動力飛行器，組成兩級水平起降的空天飛機。

由於技術快速迭代三年後的今天發展條件已經出現重大變化，長徵-8R、長徵-6X等型號火箭將發展基於垂直回收的部分重複使用功能，同時組合動力進入加速突破期，航天科技11所的組合動力可直接跨過第一步進入第二步，由此也大大提前了第三步規劃的實現時間，預計到2035年左右航天科技集團的兩級水平起降空天飛機可以問世。

兩級空天飛機風洞分離測試

通過梳理發現，航天科工與航天科技是殊途同歸，最終都走向了基於渦輪輔助的火箭基組合動力，但從技術路線規劃的方向性而言，航天科工從一開始就鎖定2030年實現TRRE方案兩級空天飛機首飛的目標顯然要比航天科技集團更為成熟一些。