推力也有陷阱？想造空天發動機需先破這一難題

推力也有陷阱？

北京空天技術研究所 郭鵬亮

上世紀80年代，世界主要技術強國都推出了各自的兩級/單級入軌飛行器發展計劃，如美國的國家空天飛機設計計劃、英國的“霍托爾”計劃和德國的“桑格爾”計劃等。以渦輪發動機和衝壓發動機技術為基礎，進行熱力循環組合和結構集成從而形成的新型空天動力-TBCC組合發動機，被視為未來空天飛行的最有前景的動力形式。渦輪發動機在低空、低速飛行時使用，衝壓發動機在高空、高速飛行時使用，從而便捷、經濟地實現天地往返。但TBCC組合發動機從渦輪到衝壓接力存在“推力陷阱”，那麼什麼是“推力陷阱”呢？

“推力陷阱”主要指推進系統在某些非設計工作點性能差，輸出動力不足，幾乎無法提供正向的加速度的現象。現有的渦輪發動機由於其複雜的增壓機構限制了其飛行速度和飛行高度的上限，其一般在飛行馬赫數2.5以下可以穩定工作，而衝壓發動機由於其獨特的壓縮形式使得其只能在高速下工作，其正常工作的飛行速度至少在馬赫數3.5~4.0範圍內，這樣二者之間就存在一個馬赫數3左右的速度範圍出現動力不足的情況，“渦輪上不去、衝壓下不來”，從而難以實現有效接力，即“推力陷阱”。“推力陷阱”的出現極大地制約了馬赫數6+量級TBCC組合發動機的發展，從而對未來空天飛行器的發展產生一定的影響。

“推力陷阱”被視為是國際公認的難題，現有的針對TBCC組合發動機“推力陷阱”問題的解決思路主要包括研發耐高温渦輪、發展預冷卻技術，提高渦輪發動機的工作上限；改進衝壓發動機的局部設計，降低起動速度，以適應更低的接力速度；增加第三方推進裝置輔助，如引射火箭，實現渦輪發動機與衝壓發動機的無縫銜接等，其中強預冷技術是解決“推力陷阱”問題的最直接的辦法，該技術已引起各國的廣泛重視，如俄羅斯的ATRDC方案和日本的ATREX方案均採用了高效緊湊的換熱器實現來流的預冷卻，美國的MIPCC方案採用了射流預冷技術實現來流的預冷卻。上述技術的深入發展將有望使得TBCC推進系統步入實用化。