0 引言 

组合动力是将 2 种或以上的单一类型动力通过热力循环、结构布局等有机融合而形成的新型宽包线多模态动力，可充分发挥各类动力的优势，具备工作范围宽、平均比冲高、使用灵活便捷和安全经济等特点，可克服单一类型动力在满足临近空间高超声速飞行器及空天飞行器宽速域、大（全）空域飞行任务时存在的性能短板，具有很高的航天和军事应用价值。美国自 20 世纪五六十年代开始进行组合动力概念的探索研究，之后在国家航天和军事战略的需求牵引下发展了多种类型组合动力飞行器项目，如可重复使用天地往返系统和高超声速飞机等。这一方面为美国未来实现自由、高效进出空间和执行快速响应、全球侦察/打击作战任务提供了有力支撑，另一方面也极大带动了组合动力技术的发展进步，取得了大量研究成果。 

本文对美国当前主要组合动力方案开展分析，并研判其技术发展动向和趋势，对于中国实现技术突破赶超和支撑中国高超声速飞行器技术发展具有重要的借鉴意义。

在高超声速飞机、可重复使用天地往返系统等飞行器动力需求牵引下，美国提出了众多组合动力发动机概念和方案，并在 Hyper-X 计划、“猎鹰”组合循环发动机技术（Falcon combined cycle engine technology，FaCET）、“ 佩刀 ”发动机（Synergetic air breathing rocket engine，SABRE）、“火神”计划（Vulcan）等项目支持下进行技术探索与研制攻关。根据不同组合方案，主要可分为涡轮基冲压组合发动机（turbine-based combined-cycle engine，TBCC）、火箭基冲压组合发动机（rocket-based combined-cycle engine，RBCC）、预冷循环发动机和爆震发动机四大类型。 

涡轮基冲压组合发动机是将涡轮发动机与冲压发动机有机结合形成的组合动力系统，如美国 FaCET 计划并联式 TBCC 发动机。该类发动机可使用普通燃料，具备自主水平起降、宽速域、大空域工作的优点，理论上可实现 0～30 km 空域、Ma 0～7 速 域的宽工作包线。因此，该类发动机是水平起降高超声速飞机、两级入轨天地往返飞行器一子级系统的理想动力装置，潜在用途还包括高超声速巡航导弹的动力系统以及低成本高超声速飞行试验平台的动力系统。但是，TBCC 发动机在跨声速段和模态转换段推阻比矛盾突出，存在推力鸿沟难题，且受冲压发动机能力限制难以工作到更高马赫数。现阶段需要着重突破常规涡轮发动机在 Ma>2. 5、冲压发动机在 Ma<3. 5 时稳定、有效工作的问题，满足涡轮发动机或冲压发动机工作包线衔接匹配，实现不同工作模态稳健过渡。 

火箭基冲压组合发动机是将火箭发动机与冲压发动机有机结合形成的组合动力系统，如美国 Hyper-X 计划飞行器的推进装置吸气式火箭综合系统测试计划（integrated system test of an airbreathing rocket，ISTAR）发动机 ，该类发动机结合火箭发动机高推重比与冲压发动机高比冲的优势，加速性和机动变轨能力强，可实现全空域、宽速域工作，因此比较适合应用于两级入轨天地往返飞行器的一、二子级或单级入轨天地往返飞行器动力、高超声速飞行试验平台动力等。但是，RBCC 发动机低速段比冲性能较低，零速起飞时采用的引射模态油耗量占总油耗的40%～50%，使得起飞的低速过程耗油量过大，经济性不好。现阶段需要着 重突破宽域全流道匹配设计及燃烧组织难题，实现进气道、燃烧室、喷管等高温部件精准调节，满足高性能工作要求。 

预冷循环发动机是指对进入发动机的高温气流进行预先冷却降温，再经压缩后输入燃烧室作为氧化剂进行燃烧的发动机，如美国的循环发动机质量注入预压缩冷却循环发动机（mass injection precompression cooling engine，MIPCC），在常规涡轮发动机压气机前加装喷射系统，通过液体蒸发冷却来流。该类发动机一般采用深 度预冷技术 ，具有吸气和火箭2 种工作模式 ，能够极大拓宽涡轮发动机工作马赫数 上限（可 达 Ma 3～6），且流道热端部件少，全工作区域内基本不背“死重”，具有 推重比性能好、比冲高的优势，可实现全空域、全速域工作，是目前单级入轨天地往返飞行器的理想选择，也可以作为两级入轨天地往返飞行器一子级动力。但是，预冷循环发动机引入冷却介质，系统复杂程度高，调节参数非常困难，现阶段需要着重突破深度预冷、结霜控制、高效热交换等关键技术。 

爆震发动机是一种基于爆震燃烧的新型热力循环动力系统，有望突破传统上以缓燃作为主要燃烧方式的动力系统遇到的发展瓶颈，是目前倍受关注的新概念发动机，如 美国“ 火神 ”计划（Vulcan）脉冲爆震发动机、“固体推进剂旋转爆震发动机演示器”项目旋转爆震发动机等。爆震发动机具有循环热效率高、结构简单、质量轻、推重比高、比 冲大、成本低、工作范围广等突出优势，能分别以火箭式和吸气式 2 种模态工作，既能够零速启动，又可在高超声速下运行，可以作为高超声速飞行器的独立动力装置，也可以与其他发动机结合形成组合动力，用于高速远程导弹、无人机、战略飞机、高超声速飞行器等。但是，爆震热环境更恶劣，燃烧室热防护更加困难，爆震燃烧室出口流场的周期性和不均匀性会带来与发动机部件匹配工作的困难。目前，爆震发动机基本处于技术探索与原理验证阶段，以其为基础的组合动力系统工程应用还任重道远。

2 美国技术发展动向及趋势研判 

2. 1 技术发展动向 

（1）超燃冲压发动机技术取得重要进展 

宽速域、大推力冲压发动机是多种组合动力技术的实现基础和前提，必须率先获得突破。近年来，在美空军研究实验室（air force research laboratory， AFRL）“中等尺寸超燃冲压关键部件”（medium scale critical components，MSCC）项目支持下，诺格公司于 2019 年，洛克达因公司于 2020 年分别完成了空气流量为 X-51 飞行器 10 倍左右的超燃冲压发动机的地面试验。2 种发动机都获得了约 5. 9 t 的推力，诺格公司的发动机在 Ma 数 4 以上条件下累计工作超过 30 min，洛克达因公司的发动机在高超声速条件下工作时长累计超过了 1 h。虽然目前地面试验只是取得了缩比尺寸、关键部件技术（如燃烧室等）上的成果，离最终成熟尚有差距，但具备扩展到实用飞行器的现实基础，无疑为组合动力的工程化应用带来了曙光。 

（2）TBCC 是最适合高超声速飞机的动力，美国正着力攻关

一方面，采用 TBCC 的高超声速飞机，在低速域 （Ma 数＜3）时采用普通燃料涡轮发动机模式，可充分利用常规机场跑道进行自主水平起降，有利于灵活选择发射和着陆地点，提高快速响应和灵活部署能力；在高速域时，可利用大比冲超燃发动机实现 持久经济的高空高速飞行，提高战场生存和突防能力。另一方面，对于美国而言，涡轮发动机技术成熟、发展体系配套，整体的研制难度相对较低，有利于快速获得突破，实现工程应用。因此，TBCC 成为 了美国高超声速飞机首选动力形式，并着力开展攻关 。比如 ，美国国防高级研究计划局（defense advanced research projects agency，DARPA）正利用现有的涡轮发动机开展先进全速域发动机（advanced full range engine，AFRE）项目，已于在 2021 年完成整机地面试验。NASA 正通过“高超声速技术项目” （hypersonic technology project，HTP）支持多个涡轮基组合循环发动机相关的技术 。美国赫尔姆斯 （Hermeus）公司自筹经费于 2020 年完成了涡轮基组合循环发动机缩比原型的高速测试。 

（3）预冷发动机关键技术得到验证，发动机工程实用存在“逆袭”可能 

以“佩刀”发动机为典型代表的预冷发动机研制已经呈现出加速发展趋势，其工作原理的可行性得到了欧洲航天局、英国 BAE 系统公司、美国空军研究实验室等科研机构 的认可，高效热交换系统、双喉道推力室、可调进气道与尾喷管等关键技术已不存在不可逾越的鸿沟。“佩刀”发动机受到美国的特别重视，在 2016 年基于“佩刀”发动机提出了两型两级入轨空天飞行器概念，美国空军甚至评估认为“佩刀”发动机有望先于 TBCC 发动机在未来 5～15 年内实用化。2019 年 10 月，“佩刀”发动机核心部件预冷却器成功完成了Ma5条件下的考核试验，在 0. 05s 内将飞行 Ma 为 5 的高温气流从1000 ℃降至约 100℃，首次验证了其用于高超声速飞行条件的可行性。根据计划安排，美国将寻求在 2025 年前进行“佩刀”缩比尺寸发动机的飞行验证。 

（4）爆震发动机研究已取得阶段性成果，但总 体上距离实现工程应用还较远 

爆震发动机主要类型有脉冲爆震、连续旋转爆震和斜爆震发动机等，由于具有独特优点，得到了美国的大力关注和投入。在脉冲爆震发动机方面，自 2008 年美空军首次在改进型 Long E-Z 小型飞机上成功进行飞行演示试验后，2010 年美国得克萨斯 大学成功进行了大尺寸单管旋转阀脉冲爆震发动机地面验证试验，其爆震管直径为 10 cm，获得了大 约 980 N 的峰值推力。在旋转爆震发动机方面， 美国在机理研究和工程化应用方面处于世界领先。2020 年 5 月，美国佛罗里达大学研究团队建 立并测试了旋转爆震火箭发动机实验模型，首次得到了安全有效的氢氧推进剂爆震 的试验证据 。2021 年 10 月，美国华盛顿大学研究团队设计了实验性旋转爆震发动机进行燃烧过程研究，并首次开发了相应数学模型来模拟实验现象和开展发动机性 能验证评估。在斜爆震发动机方面，2021 年 5 月美国中央佛罗里达大学建造了一个约 0. 76 m 长的系列腔室实验装置，成功开展高超声速条件点火试验，产生并保持了大约 3 s 的稳定爆炸，向实现真实斜爆震发动机迈出了重要一步。 

综合以上信息，美国目前在爆震发动机研究方面进展较显著，部分领域已进入样机演示验证阶 段，可以说取得了阶段性成果，但总体上技术成熟度还较低 ，离真正实现工程应用还有很长的路要走。 

2. 2 发展趋势研判 

总体来看，TBCC 和ＲBCC 组合循环动力已经成为高超声速飞行器的主流动力，也是美国目前聚 焦的方向，预冷和爆震 2 类形式在技术发展尤其是工程化应用发展上 要落后于 TBCC 和 RBCC。但 TBCC 和 RBCC 两者仍有其性能上的短板劣势，这为 预冷和爆震类型组合动力技术发展留下了机遇。综合研判，美国组合动力技术未来发展将在技术研究层面上保持多路径探索，工程应用层面上则以军事需求为优先方向，分析如下：

（1）从历史发展惯性看，美国在航空涡轮动力发展上采取动力先行先试的策略，在组合动力的发展上也会呈现类似局面，在应用需求尚不明确的情况下，将保持技术研究上多样化的发展路径，一旦取得技术上的多点突破必然带来应用上的更多机遇。 

（2）从追求技术领先战略看，由于各种组合动力技术难度均很大，保持多路径探索，可以持续积累人才、资源和工程储备，有利于美国形成对敌人的技术代差优势，同时防止被对手技术突袭。

（3）从潜在应用看，各种组合形式都有其自身优点和预期应用对象，目前尚未有一种组合动力方案真正实现了在高超声速飞行器上的应用，因此美国将以其雄厚的经济实力和技术基础为支撑，确保给各种技术路径都留有足够的发展空间。

（4）从工程应用看，美国以满足军事需求为优先和重点。目前，为满足其侦察/打击作战高超声速飞机动力需求，美国在各种组合动力类型中选择以技术最成熟、性能最合适的 TBCC 为优先和重点发展方向，扎实推进工程化应用发展。

3 美国组合动力的潜在军事应用分析 

组合动力是支撑临近空间高超声速飞行器、重复使用天地往返飞行器等未来空天武器系统发展与应用的核心技术之一，对改变战争攻防模式和争取作战优势将产生关键影响。目前，美国对组合动力的潜在军事应用主要集中在 TBCC 和 RBCC，作战武器主要分为高超声速巡航导弹、高超声速飞机以及空天飞行器等 3 个方面。 

3. 1 高超声速巡航导弹 

从战技性能上看，组合动力高超声速巡航导弹具有很多优点。与利用火箭助推加超燃冲压发动机提供巡航动力相比，采用 TBCC 作为动力的高超声速巡航导弹，可以在飞行前段采用涡轮发动机以超声速巡航速度高空出击或以高亚声速低空出击，以节省燃料增加航程。进入敌方防御火力后，冲压发动机工作，使导弹以高超声速突防和攻击目标。优点在于飞行剖面选择余地较大，飞行速度灵活可控、快慢兼顾，便于机动变轨，既克服了目前涡扇发动机为动力的亚声速巡航导弹易被拦截的不足，又避免了超燃冲压发动机为动力的巡航导弹难以机动和控制的问题，航程远、速度快、杀伤力强，是实施快速突防打击的利器。 

但是，从成本和作战灵活性上考虑，美国目前不太可能在高超声速巡航导弹上采用组合动力。首先，美国通常以巡航导弹作为战争中发动大规模常规打击的一次性使用武器，必然追求经济可承受性，采用组合动力必然增加导弹成本，且无法充分发挥其可重复使用的特点，在经济上将得不偿失。同时，采用组合动力又必然增大导弹尺寸和重量，影响搭载平台的适应性和搭载量进而削弱作战应用的灵活性和火力密度，不利于争取作战优势。因此，采用组合动力的高超声速巡航导弹不符合当前美军对常规战术导弹低成本、小型化的发展需求。

因此 ，预计美国未来巡航导弹主力仍然是如 “战斧”系列的传统涡扇发动机亚声速巡航导弹，另外再搭配新型超燃冲压发动机动力的高超声速巡航导弹，如高超声速吸气式武器概念（hypersonic airbreathing weapons concept，HAWC）等。

3. 2 高超声速飞机 

采用 TBCC 组合动力的高超声速飞机兼具高空、高速和适度隐身等特点，能有效弥补传统侦察打击手段在拥有反卫星能力和先进防空系统的地区执行任务时的能力短板，实现对全球任意地点的快速情报收集、监视、侦察任务，并有执行对地/对空打击任务的潜在能力，可以有效支撑美军“全球快速打击”作战需求。

（1）美军当前侦察手段面临一定能力短板 

自从 1998 年 SR-71 退役后，美军的情报侦察手段主要包括天基侦察卫星、有人/无人航空侦察机、地基/海基雷达等，在面对中俄等大国不断提升的防御能力时正面临能力上的短板。如天基侦察卫星的周期性和固定轨道容易让目标实施针对性规避， 也无法在任意目标上空按需部署，同时自身防护能力弱，在面临中俄地基反卫武器和天基杀伤平台时易遭受软、硬杀伤而失去侦察能力；有人/无人航空侦察飞机如 EP-3、MQ-1“捕食者”、RQ-8A“火力侦察兵”等普遍飞行速度慢、高度低、航程短且一般不具备隐身能力，虽然类似 RQ-4“全球鹰”无人机具备航程远、升限高的优点，但仍然是亚声速平台，因此在面临先进防空体系时，均存在生存和突防能力弱的问题；地基/海基雷达受地球曲率影响难以远程侦测地面或低空目标，同时侦察精度较低，若前沿部署则易遭中俄反介入武器的精确打击。 

（2）高超声速飞机可安全高效执行情报侦察 

与传统航空飞机相比，采用 TBCC 组合动力的高超声速飞机最大的特点是能实现高空高速远程巡航飞行。以美国正在开发的 SR-72 为例，其配备 2 台涡轮基双模态（亚燃和超燃）冲压发动机，能以 Ma 6 的速度在最大超过 30 km 的高空进行远程巡航飞行，并可以利用普通机场自主水平起降。因此，高超声速飞机可以实现快速灵活任务响应、目标区域高速抵达，高效执行战场任务。同时，高超声速飞机在飞行高度上超过普通战斗机的飞行范围，在飞行速度上高于大多数防空导弹，高高度和高速度的结合将有效突破敌方综合防空系统的拦截。以 SR-71 应用战绩为例，在服役 34 年执行 3550 多次侦察任务中，成功摆脱了上千次飞机和防空导弹的攻击，没有一架被击落过。

另外，高超声速飞机作为载荷平台，可根据侦察任务需要在机腹、机身两侧和机头内置携带红外和电子探测器、超高清晰度侦察照相机、合成孔径雷达等先进的电子和光学侦察设备，实施前视、下视和侧视侦察。由于其巡航高度高，最大可超过 30 km，通视距离远、大气透过率高，可为电子、雷达和光学等各类传感器的远程/广域侦察创造良好条件。据估测，巡航高度 25 km 通视距离大约是 12 km 高度的 1. 4 倍，大气透过率（2. 7 μm 波段）是 12 km 高度的 3. 1 倍，同样条件下光电传感器作用距离可提升 76%。 

综合来看，高超声速飞机快速响应和生存、突防能力强，能对任意区域、高价值目标实施快速高效侦察 ，提供接近实时的战场态势信息并安全退出。 

（3）高超声速飞机具备对地/对空打击潜在能力 

理论上，高超声速飞机可采用内埋方式携带武器载荷进行对地/对空打击，而且可利用高速、高空提供很大的初始能量，相对普通战斗机大幅提高投放武器的射程、毁伤能力和对地打击覆盖范围。但是，目前其实际执行此类任务能力受有效载荷和安 全投放等多方面因素的制约。 

首先 ，高超声速飞机携带武器载荷的能力有限。高超声速飞机（如 SR-71）在长度尺度上超过典型的四代或五代机 50% 左右，现有高温材料结构体系下机身结构和发动机质量更大，而且为满足远航程、高速度飞行要求，燃油质量占比更大，在起飞重 量的限制下，能携带的有效载荷就更小。同时，机身采用更加扁平的减阻外形，内埋弹舱深度更浅，有效容积更小。因此，高超声速飞机有效载荷比相对常规战斗机较小，一般在 1%～2% 左右，制约了其对地/对空打击能力。 

此外，高超声速飞机弹机分离过程气动环境更复杂，安全风险更高。高超声速飞行时的激波强度会远高于超声速飞行情况，弹舱空腔效应波系结构更复杂，弹体受到激波系诱导产生的附加力矩作用，导致弹体投放瞬时的受力情况更为复杂，更容 易产生非预期的运动轨迹。同时，弹舱开口区域速度梯度更大，剪切层内涡量集中区的涡强度更高， 当弹体投放穿越剪切层时，会受到更强的气动力干扰，影响武器发射精度甚至造成弹机分离事故。解决以上气动问题，还需大量试验数据支撑和分析研究工作。因此，虽然美国对 SR-72 的主要战术技术指标中，明确了执行打击任务的基本功能，但是未来能否有效实现还有待关注和研究。 

3. 3 空天飞行器 

组合动力空天飞行器是实现可重复使用天地往返运输的重要途径之一，虽然目前尚未完全实现，但是已发展出包括两级入轨飞行器和单级入轨飞行器在内的设想概念。其中，两级入轨飞行器一般采用 TBCC 为一子级动力，采用液体火箭发动机为二子级动力；单级入轨可采用 RBCC 动力或预冷式吸气加火箭组合动力。空天飞行器具备跨域全速域、全空域工作的能力，是未来有效开展空间军事行动的关键装备。 

（1）自由高效进出空间开展空间载荷运输 

两级入轨飞行器采用高升力翼身融合气动布局，可以在普通机场跑道由涡轮发动机依靠空气动力实现像飞机一样的水平起飞，在大气层内依靠冲压发动机飞行并加速至 Ma 约 6 和约 30 km 高度，然后一、二子级分离，一子级再入返回水平着陆，二子 级加速入轨，将载荷送入空间轨道。水平起降避免了庞大且复杂的地面保障系统，缩短任务准备周期提高起降频次，并可灵活选择发射和着陆地点，因此可自由高效进出空间开展载荷运输。 

（2）开展空天攻防和天对地打击 

单级入轨飞行器如空天飞机，集飞机、运载器、 航天器等多种功能于一身，既能在大气层内作高超声速飞行，又能携带载荷进入空间轨道并机动飞行。作为天对天武器平台，搭载电子干扰、动能、定向激光微波、可操控式机械臂/飞网等载荷，对敌方 高价值空间目标实施干扰、可控杀伤、失能失效、拦截捕获等攻防行动，削弱乃至瘫痪敌方的空间信息支援和对抗能力。作为天对地打击平台，携带天对地、反导反临武器载荷，以其特有的“高姿态”，可对临近空间飞行器、空中大型作战平台、水面大型舰艇、地面军事要地甚至深埋目标开展跨域打击，正成为重要的战略威慑手段。 

综合来看，组合动力空天飞行器是美军提高空间装备体系韧性、支撑空间军事优势和实施跨域打击、开展战略威慑等军事行动的关键装备。但是目前，主要受制于动力技术瓶颈，离真正实现还有很长的路要走。 

4 启示与建议 

（1）中国目前应优先发展 TBCC 动力技术并明确需求牵引 

首先，从可靠性、经济性和安全性看，TBCC 发动机具有更好的前景，这更符合未来组合动力飞行器执行廉价、可靠、安全航天飞行的发展需求。其次，TBCC 技术基于高性能涡轮发动机，更加契合国家重点发展方向，大力推进高性能涡轮发动机技术 发展，既可以补齐中国航空动力领域的短板，更是国家产业转型升级、进军高端制造业的重要举措。纵观国外发展历程，需求永远是发展的强有力牵引，离开明确的应用背景，任何动力系统均会面临自身发展所需的“动力”问题 。因此，我们要根据潜在用途，在国家层面论证并明确 TBCC 在军事、 民用和商业领域的发展需求，为动力技术发展提供持久“动力”。 

（2）宽速域、大推力冲压发动机技术是组合动力核心关键，需要继续深化研究 

宽速域、大推力冲压发动机技术是组合动力核心关键共用技术。中国提出的各种类型的组合动力方案，基本上都是以亚燃/超燃冲压发动机与其他类型的动力相组合。冲压发动机“向上”要具备高马赫数飞行能力，“向下”要兼顾低马赫数模态转换需求，宽速域、大推力冲压发动机的成功研制是发展组合动力的基础和前提。研制更宽马赫数、更大推力冲压发动机，需突破一体化气动技术、高效进/ 排气、高效混合与燃烧以及热防护等关键技术攻关，必须前置建设高马赫数气动力、气动热和机体/ 推进一体化等空气动力相关试验能力，组织开展系统性、持续性技术攻关。 

（3）从技术特点和潜在价值看，RBCC、预冷及 爆震等技术也应该部署探索研究 

首先，不管是 TBCC，还是 RBCC 或者预冷、爆震等都有其优点与不足，没有一种组合形式能完美满足所有飞行工况。其次，各种动力形式均具有潜在的应用对象和价值，而且各种组合动力形式在发展上均面临技术瓶颈，尚未有一种形式获得工程实 用。目前，国内众多科研机构和院校对各种组合动力均在开展技术探索和研究，并已取得一定的研究成果。因此，不论从技术本身还是从实际情况考虑，都应继续支持对多种技术路径进行探索，以保持技术发展空间和发展势头。