国内外临近空间飞行器-发动机一体化技术进展课件

1、临近空间高超声速技术进展与展望一、临近空间空域特点二、高超声速技术概述三、美国高超项目及进展四、欧洲项目运营与管理五、飞/发一体化展望一、临近空间空域特点一、临近空间空域特点侦察监视平台电子对抗平台通信中继平台运输补给平台适合浮空器和采用吸气式动力的飞行器平稳飞行高速飞行、高机动性（高超飞行器）和超长滞空时间（高空平台）大气以水平运动为主，水汽、 杂质很少，温度几乎不变适合情报收集、 侦察监视、 通信保障以及对空对地作战离地距离适中，具有较大的覆盖范围、 较高地面分辨率和成像灵敏度突出价值临近空间空域特点“临近空间”，距海平面 20 km和 100 km之间的区域飞行器包括：气球、 飞艇、 高

2、空无人机及高超声速飞行器 临近空间武器还具有安全性高、生存能力强和部署快速、 效费比高临近空间武器成本低、部署时间快， 适合现代战争的需求演示验证平台空间武器平台二、高超声速技术概述（技术要求）起飞、巡航阶段足够的推力和升力满足所有速度域的推力覆盖（亚、跨声速挑战）多种发动机动力循环或者组合循环发动机宽速域、宽姿态角域进气道和燃烧室的稳定工作加速、巡航、降落时足够的升阻比低阻力细长体机身: 攻角通常不大于 6-10 度; 大后掠尖前缘在所有飞行阶段足够的稳定性和可控性亚声速、跨声速、超声速、高超声速、有动力飞行、无动力飞行、大过载机动、大攻角再入飞行等足够的热防护和可靠的热管理安全、可负担、与

3、常规飞机类似的运营和维护二、高超声速技术概述（应用领域）高速巡航武器 (Mach 6-8)巡航速度可达每分钟几百公里高动能: 杀伤性和对坚硬目标壁垒的穿透性强生存能力（隐身性要求降低）吸气式发动机的操控灵活性快速全球运输数小时内全球到达基于本土的远程侦察与作战商业民航与货物运输可负担日常性太空飞行水平起降，单位质量运输成本下降与常规飞行器类似的运营和维护操作灵活，安全性更高二、高超声速技术概述（关键技术）吸气式组合动力循环发动机涡轮-冲压发动机 (TRL4) 冲压发动机/超燃冲压发动机 (TRL=5-6)火箭基组合循环发动机 (RBCC) (TRL=4-5)耐高温材料和热防护系统(TPS)陶瓷

4、隔热瓦/覆盖材料(TRL=9)耐高温陶瓷基复合材料(TRL=4-6)轻质低温推进剂燃料储存及结构设计(TRL=4-5)气动/推进/热防护/控制一体化设计飞/推系统高度融合一体化(TRL=4-5)多学科优化(TRL=4-6)美国的高超声速项目进展与趋势是世界范围内高超声速项目发展的风向标。已从概念和原理探索阶段进入到以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机等为应用背景的先期技术开发和验证阶段。从50年代以来，美国基于全球到达，全球打击战略，提出了全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划，相继实施 NASP、Hyper-X、HyFly、FALCON 等高超声速飞行器计划，并相继进

5、行了地面和飞行试验，引领世界范围的高超声速飞行器技术研发热潮。NASA Two Stage To Orbit (TSTO) Reference Vehicle X43三、美国高超项目及进展基本情况前期，主要用于时间敏感目标的超声速/高超声速导弹。中期, 集中在能“抵达全球”的高超声速战斗机/轰炸机上。远期, 瞄准低成本、适时进入太空的可重复使用的发射飞行器。发展路线三、美国高超项目及进展1960年，Ferri教授提出了超燃冲压发动机概念，设计了第一个超燃 冲压发动机，在1963年进行了自由射流试验。高超声速研究发动机（Hypersonic Research Engine-HRE）是美国为验证高

6、超声速冲压发动机在Ma=38的性能设计的研究计划。HRE计划代表了超燃冲压发动机的初期发展阶段（1965-1975）。1968年1月，X-15计划中止，因而也终止了HRE飞行试验。在X-15计划取消以后，HRE计划继续进行了地面试验项目。三、美国高超项目及进展HRE计划证实了超燃冲压发动机的性能、可操作性、结构和控制，在地面取得了原理性的突破。HRE具备了飞行条件，但美国认为HRE的安装特性不好，把飞行试验计划搁置。60年代，美国错过了超燃冲压发动机通过飞行试验验证的宝贵机会，流失了一批高超声速推进技术关键人才。HRE计划三、美国高超项目及进展1986年美国宣布推行NASP计划。水平起降，单级

7、入轨的研究机X30。NASP计划目的是发展可完全重复使用、单级入轨、水平起降、超燃冲压发动机推进的空天飞机。使用1/7缩比的超声速燃烧冲压发动机，研究了多种模型,如GBL模型, A-C模型, SX-20模型, SXPE和CDE模型, MIMI模型等。NASP计划三、美国高超项目及进展1994年NASP计划宣布结束，主要原因有：经费困难，拨款连年减少；技术难度大，工作进展慢；NASA 与国会意见分歧。NASP的发动机模型完成了1500次试验；发展了超燃冲压发动机设计方法；各类大型试验设备和测试技术；建立了数据库；研究了新材料和热结构。NASP的工作为超燃冲压发动机的发展开辟了新的道路。NASP计

8、划三、美国高超项目及进展Hyper-X计划(NASA牵头)目的是验证试验技术;验证计算方法和设计分析工具；验证使用氢燃料和炭氢燃料超燃冲压发动机的飞行器技术；验证使用组合循环发动机的飞行器技术。三、美国高超项目及进展Hyper-X计划 X-43A超燃冲压发动机在NASP计划的基础上进行：长度： 3.6m；宽度： 1.5m；飞行速度： Ma=710；飞行高度： Ma=7，H=29000m； Ma=10，H=3300036000m三、美国高超项目及进展Hyper-X计划1995.5完成X-43概念设计；1996.10完成初步设计；1999.10 X-43交付给DFRC。三、美国高超项目及进展Hyp

9、er-X计划三、美国高超项目及进展 X-43A飞行试验的成功,被称为是“莱特兄弟首次飞行以来，航空技术的最大突破”，标志着高超声速技术即将得到应用，高超声速武器将成为世界军事热点。 X-51概况美国空军于2004年1月13日与P&W和Boeing签订了合同, 发展吸热式碳氢燃料超燃冲压发动机演示飞行器器X-51，计划2008进行飞行试验。Boeing设计了全尺寸飞行器前体/进气道和喷管一体化结构。具有数字式发动机控制系统，包括操控复杂的燃料分配与调整，燃料冷却全闭路循环等特色三、美国高超项目及进展Hyper-X计划 2006年10月到2007年4月在NASA Langley的2.4米高焓风洞中

10、对X-1进行了成功的试验 M4.5, 5, 6.5。2011 年 6 月进行了飞行试验，这次试验以失败告终；2013年进行长达6分钟飞行，其中在Ma5下工作210s。利用吸热碳氢燃料进行超燃冲压发动机M4.5+M6+飞行试验。证明自由飞超燃冲压发动机飞行器的生存能力；验证产生的推力从起动到加速的全过程能够大于阻力。Hyper-X计划三、美国高超项目及进展水平起降高超声速飞机（SR-72）三、美国高超项目及进展 纵观美国的发展趋势，吸气式高超声速技术正逐渐从通用技术攻关走向武器型号研制。未来发展的两个主攻系列分别是高超声速导弹和高超声速飞机。水平起降高超声速飞机（SR-72）三、美国高超项目及进

11、展技术跨越：从M数单点设计的飞行器（X43，X51）拓展到水平起降、宽速域飞机。水平起降高超声速飞行器（SR-72）三、美国高超项目及进展HTV飞行器方案及其三维流路设计TBCC发动机流道调节规律与变几何方案SR72方案及其TBCC组合动力系统核心技术：TBCC组合动力系统；高超声速机体/推进系统一体化。四、欧洲项目运营与管理四、欧洲项目运营与管理四、欧洲项目运营与管理LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies)LAPCAT-I，欧盟第六科技框架(FP6)支持，2005-2007总投资700万欧元飞行器布局、动力

12、装置等问题方案论证M4到8一级的飞行器推进概念（TBCC和RBCC）开展关键技术研究四、欧洲项目运营与管理四、欧洲项目运营与管理四、欧洲项目运营与管理 LAPCAT(Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies)LAPCAT-I，欧盟第六科技框架(FP6)支持，2005-2007飞行器布局、动力装置等问题方案论证M4到8一级的飞行器推进概念（TBCC和RBCC）开展关键技术研究Skylon 飞行器设想图Scimitar/Sabre 发动机Reaction Engines Ltd.1150C-150C, 3）所需的耐高温轻质结构材

13、料这里耐受的高温涵盖外流表面的气动加热环境以及燃烧室内的高温环境四、欧洲项目运营与管理ATLLAS-I取得的进展 四、欧洲项目运营与管理ATLLAS(Aero-Thermodynamic Loads on Lightweight Advanced Structures)ATLLAS-II，欧盟第七科技框架(FP7)支持，2011-2014将ATLLAS-I研发的材料经过多学科优化（考虑气动、推进、结构、热防护乃至排放和音爆等因素的影响），整合应用于机体表面和燃烧室的热防护配合LAPCAT-II项目开发四、欧洲项目运营与管理ATLLAS-II子课题四、欧洲项目运营与管理ATLLAS-II子课题四

14、、欧洲项目运营与管理SHEFEX(Sharp Edge Flight Experiment)德国内部项目，DLR独立完成重点发展成本低廉的，再入阶段热防护和热管理试验和测试技术SHEFEX-I，2005年10月完成飞行验证SHEFEX-II，2012年6月完成飞行试验SHEFEX-III，2016年 SHEFEX-I试验飞行器SHEFEX-II试验飞行器SHEFEX-II飞行试验录像四、欧洲项目运营与管理四、欧洲项目运营与管理SHEFEX试验的关键技术 四、欧洲项目运营与管理HEXAFLY（High-Speed Experimental Fly Vehicles）HEXAFLY ，欧盟第七科技

15、框架(FP7)支持，2012-2013飞行演示验证可行性分析为后续项目做准备四、欧洲项目运营与管理通力合作ESA牵头科研院所主导高校参与工业界配合四、欧洲项目运营与管理通力合作ESA牵头科研院所主导，高校参与工业界配合四、欧洲项目运营与管理顶层设计 四、欧洲项目运营与管理顶层设计 四、欧洲项目运营与管理顶层设计四、欧洲项目运营与管理顶层设计四、欧洲项目运营与管理经费/人员预算四、欧洲项目运营与管理日常管理与调控 四、欧洲项目运营与管理日常管理与调控四、欧洲项目运营与管理精细论证、技术先行精确控制、成本合理极高效率、高度负责学术自由、交叉融合严格管理、轻微调控五、飞/发一体化展望飞发一体化技术内

16、涵飞行器/发动机一体化技术从整机角度得到最优化动力装置装机构型的设计与装配过程，其技术水平直接影响着飞机整机性能指标的实现。高超声速飞行器广泛采用机身与推进系统紧密耦合的设计方式，飞行器与推进系统二者互为利用，同时也相互影响。水平起降临近空间飞机采用吸气式组合动力实现Ma04的宽速域飞行，一方面由于动力系统占据机体重量和空间比例较大，另一方面组合动力的进排气系统需要与飞机采用全流道一体化设计.临近空间飞机的设计思想从Airframe发展到Engineframe，即以动力为核心的高度飞发一体化设计。高度一体化飞行器方案高超飞行器各子系统和各部件的相互作用将给飞行器整体带来显著的性能提升并获得较高

17、的经济效用五、飞/发一体化展望五、飞/发一体化展望飞行器部件与各自发挥的功能相互干扰气动、推进、控制、结构、燃油、热防护等“一台会飞的发动机”: 飞行器外形成为推进系统（进气道或者尾喷管）的一部分；发动机产生升力、推力以及俯仰力矩大范围飞行速度的变化将促发各类气动动力学现象，从而直接影响飞行器的空气动力学性能与推进性能“一个会飞的油箱”：飞行器的大部分内部空间会被用于储存燃油几乎所有的飞行器表面需要设计热防护结构或装置 进气道压缩升力俯仰力矩机身燃油载荷喷管 推力升力俯仰力矩对于未来飞行器设计，特别是高超声速飞行器系统设计而言，系统功能的耦合将会越来越紧密开发用于系统设计和优化的高级设计工具将

18、显得尤为重要飞行器系统 气动方案 控制系统推进系统结构设计常规设计方法高度一体化设计方法控制系统结构方案推进系统气动方案飞行器系统五、飞/发一体化展望高容积率与结构高利用率良好的燃料压力容器机翼/机身相对独立，空间灵活小型机翼或不需要机翼机身推进系统高度一体化高推进效率、升力扭矩灵活控制高升阻比高品质气流捕获大流量高品质气流捕获单位捕获面积下浸润面积较小需要大尺寸机翼喷管外膨胀需要一体化设计效率低结构经济性与容积率不高研发制造成本高结构复杂，容积效率低前缘较长结构经济性与容积率面临严重挑战飞行器各部件高度一体化优势不足翼身融合体构型升力体构型传统构型乘波构型内转构型五、飞/发一体化展望高超声速飞行器设计五、飞/发一体化展望对飞行器参数化建模&选取优化控制参数定义综合分析参数集合多学科综合分析对分析的输出建立数学模型评估模型质量优化获得最优设计方案进一步优化添加设计参数五、飞/发一体化展望飞行器的几何形状、设计特点与工