推力也有陷阱？想造空天发动机需先破这一难题

推力也有陷阱？

北京空天技术研究所 郭鹏亮

上世纪80年代，世界主要技术强国都推出了各自的两级/单级入轨飞行器发展计划，如美国的国家空天飞机设计计划、英国的“霍托尔”计划和德国的“桑格尔”计划等。以涡轮发动机和冲压发动机技术为基础，进行热力循环组合和结构集成从而形成的新型空天动力-TBCC组合发动机，被视为未来空天飞行的最有前景的动力形式。涡轮发动机在低空、低速飞行时使用，冲压发动机在高空、高速飞行时使用，从而便捷、经济地实现天地往返。但TBCC组合发动机从涡轮到冲压接力存在“推力陷阱”，那么什么是“推力陷阱”呢？

“推力陷阱”主要指推进系统在某些非设计工作点性能差，输出动力不足，几乎无法提供正向的加速度的现象。现有的涡轮发动机由于其复杂的增压机构限制了其飞行速度和飞行高度的上限，其一般在飞行马赫数2.5以下可以稳定工作，而冲压发动机由于其独特的压缩形式使得其只能在高速下工作，其正常工作的飞行速度至少在马赫数3.5~4.0范围内，这样二者之间就存在一个马赫数3左右的速度范围出现动力不足的情况，“涡轮上不去、冲压下不来”，从而难以实现有效接力，即“推力陷阱”。“推力陷阱”的出现极大地制约了马赫数6+量级TBCC组合发动机的发展，从而对未来空天飞行器的发展产生一定的影响。

“推力陷阱”被视为是国际公认的难题，现有的针对TBCC组合发动机“推力陷阱”问题的解决思路主要包括研发耐高温涡轮、发展预冷却技术，提高涡轮发动机的工作上限；改进冲压发动机的局部设计，降低起动速度，以适应更低的接力速度；增加第三方推进装置辅助，如引射火箭，实现涡轮发动机与冲压发动机的无缝衔接等，其中强预冷技术是解决“推力陷阱”问题的最直接的办法，该技术已引起各国的广泛重视，如俄罗斯的ATRDC方案和日本的ATREX方案均采用了高效紧凑的换热器实现来流的预冷却，美国的MIPCC方案采用了射流预冷技术实现来流的预冷却。上述技术的深入发展将有望使得TBCC推进系统步入实用化。