综述：基于火箭的联合循环喷射模式下火箭增益技术的综述

《PROGRESS IN AEROSPACE SCIENCES》：A review of rocket gain technology in the rocket-based combined cycle ejector mode

　　

何国强|聂少|叶金英|张铎|于宣飞|秦飞|魏向庚

中国西北工业大学固体推进国家重点实验室，陕西省西安市，710072

摘要

基于火箭的联合循环（RBCC）发动机被认为是未来可重复使用飞行器、近空间高速飞行器以及其他新型航空航天器的主要动力解决方案之一。近年来，RBCC动力在模式转换、宽域燃烧组织和流道设计等关键研究领域取得了重大突破。其中，喷射器模式作为RBCC发动机中最独特的模式，起到了连接地面推进模式和冲压发动机模式的作用。喷射器模式的性能对整个飞行器的设计至关重要。本文首先回顾了典型RBCC飞行器中喷射器模式的公开研究进展，并根据公开数据分析了每种方案下的推力和比冲增益特性。其次，综述了公开报告中关于喷射器模式增益特性的独立研究进展，并分析了所取得的推力和比冲增益特性。最后，指出了火箭增益技术发展的关键技术方向，强调了提高喷射器模式性能以及促进喷射器模式增益技术与其他模式集成设计的必要性。

引言

随着航空航天技术的发展，新型航空航天器（如经济可靠、响应迅速且机动性强的可重复使用飞行器以及高速近空间飞行器）逐渐成为航空航天领域的研究热点。联合循环发动机有机地结合了两种或更多推进系统，从而实现了各推进系统的互补优势，拓宽了单一推进系统的工作范围[[1], [2], [3], [4]]。因此，联合循环发动机被视为最适合新型航空航天器的推进系统之一。主流的联合推进系统包括以下几种发动机[5]：基于火箭的联合循环（RBCC）发动机、基于涡轮的联合循环（TBCC）发动机、空气涡轮火箭（ATR）发动机以及涡轮-火箭-冲压发动机三联体（Trijet）。其中，基于火箭的联合循环发动机因其能够同时实现高比冲和高推重比而受到广泛关注[6]。

喷射器模式作为RBCC发动机所有模式中最独特的模式，起到了连接地面推进模式和冲压发动机模式的作用[7,8]。20世纪60年代，美国空军支持马丁公司研究了火箭发动机喷嘴喷射器（RENE），初步验证了导管火箭能够提升推力[9]。随后，在美国空军和NASA的支持下，马夸特公司（Marquardt Company）研究了多种方案，如喷射器冲压发动机（ERJ）和增压喷射器冲压发动机（SERJ）[10]。马夸特公司成功验证了混合、风扇加压和推力增益等关键技术[11]。这些工作为后续单级和两级轨道飞行器的喷射器模式奠定了基础。在此之后，美国通过国家航空航天飞机（NASP）[12]和先进可重复使用空间运输技术计划（ASTP）[13]推动了一系列典型RBCC方案的研发。其中，Aerojet公司开发的Strutjet发动机[14,15]、Rocketdyne公司设计的A5发动机[16]以及NASA格伦研究中心（GRC）的GTX发动机[17,18]尤为突出。在此期间，导管火箭增益技术中的燃烧组织和推力增益设计方法被整合到RBCC发动机的设计中，促进了喷射器模式、冲压发动机模式和超燃冲压发动机模式集成设计的发展。同时，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）[19], [20], [21]也研究了用于可重复使用飞行器的RBCC发动机，并持续致力于RBCC动力的发展。JAXA在喷射器模式增益技术领域进行了大量研究。此外，由RBCC发动机驱动的Sentinel飞行器也出现在美国的联合循环发动机组件（CCE）[22]项目中。Sentinel的研究[23]促进了更详细的飞行计划制定，并展示了独立冲压流（IRS）模式的实际应用。美国的ISTAR发动机[24]是基于Strutjet发动机的设计概念开发的。作为下一代发射技术计划（NGLT）的一部分，与ISTAR发动机相关的飞行演示和验证工作得到了推进。然而，这项工作后来因多种原因被暂停。

本文重点关注喷射器模式中的推力增益问题。首先，本文回顾了典型RBCC方案中喷射器模式的公开研究进展，并根据公开数据分析了每种方案下的推力和比冲增益特性。随后，综述了公开报告中关于喷射器模式增益特性的独立研究进展，并分析了所取得的推力和比冲增益特性。最后，指出了火箭增益技术发展的关键技术方向，强调了提高喷射器模式性能以及促进喷射器模式增益技术与其他模式集成设计的必要性。

章节摘录

美国国家航空航天局（NASA）最初提出使用简单轻质的导管来提升火箭系统的推力和比冲。这一创新的核心技术概念是通过导管增强气流并组织导管内的燃烧，从而提供更大的推力。早期提出的概念图如图1所示[9]。20世纪60年代，在美国空军的支持下，马丁公司

1967年，美国通用动力公司（General Dynamics）对导管火箭发动机和喷射器冲压发动机进行了性能分析[52,53]。该分析建立了一个性能分析模型，分析中使用的燃料系统为液氢/液氧，火箭的参考流量为226 kg/s。在旁通比为3的条件下，分析了两种发动机的性能随马赫数的变化趋势，如图17所示

中国的研究人员也一直在持续研究RBCC发动机。本节回顾并总结了国内关于喷射器模式和推力增益技术的公开研究。20世纪70年代，北京动力机械研究所[82]对RBCC发动机的喷射器模式进行了研究，研究内容包括火箭与燃烧室之间的匹配关系以及燃料喷射对发动机性能的影响。

回顾RBCC发动机喷射器模式增益技术的发展历程，可以清晰地了解这项技术的发展轨迹。第一阶段，确认了导管火箭中的推力增益。在此基础上，初步探索了导管火箭增益技术和吸气式发动机的集成设计。第二阶段标志着RBCC发动机概念的正式提出，完成了从

本文全面概述了喷射器模式推力增益技术的发展历程，总结了其历史进展和关键发展阶段。经过60多年的发展，火箭增益技术从最初的导管火箭发展到如今的喷射器模式。火箭增益技术的进步得益于全球研究人员的共同努力，人们不断追求轻量化、便捷和高性能的吸气式推进系统。

何国强：资金获取、调查、项目管理、资源协调、撰写——审阅与编辑。聂少：正式分析、调查、验证、初稿撰写、审阅与编辑。叶金英：概念构思、正式分析、调查、项目管理、资源协调、撰写——审阅与编辑。张铎：资金获取、项目管理、资源协调、撰写——审阅与编辑。于宣飞：项目管理、资源协调、撰写——

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