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摘要：并联式涡轮冲压组合发动机原理样机由小型涡扇发动机与冲压发动机并联，共用进排气装置组成。本论文主要研究并联式涡轮冲压组合发动机的工作原理以及模态转换试验方案，通过高空模拟对其原理及方案进行验证。
Abstract： The principle prototype of a parallel turbo ramjet combined engine is composed of a small turbofan engine and a ramjet in parallel， sharing intake and exhaust devices. This thesis mainly studies the working principle of the parallel turbo ramjet combined engine and the modal conversion test scheme， and verifies its principle and scheme through high-altitude simulation.
关键词：并联式涡轮冲压组合动力;模态转换;试验方案
Key words： parallel turbine stamping combined power;modal conversion;test plan
中图分类号：S219.031 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0003-03
1 基本概念及原理
涡轮冲压组合发动机是通过将涡扇发动机和冲压发动机组合起来使用的变循环吸气式发动机。根据涡扇发动机和冲压发动机主要部件的关系和流程分为串联布局和并联布局。冲压发动机按其工作模态分为亚燃、超燃和双燃冲压发动机。亚燃冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，推进速度可达6倍音速;超燃冲压式发动机在Ma4～4.5左右开始投入运行，飞行速度高达Ma5～16，理论上可以达到Ma25左右;而在双燃冲压发动机中，实现了亚燃和超燃两种工作模态有机结合，其运行限速约为Ma3，最大飞行速度约为Ma6.5。
串联式TBCC迎风面积小，推重比高，但由于其需要在很宽的工作范围内保证高总压恢复系数，并且在冲压模式下涡轮发动机仍需稳定工作，设计难度大;并联式TBCC迎风面积较大，虽然推重比较低，但研制难度较小、周期短。
1.1 串联式组合冲压发动机工作原理
串联式组合冲压发动机在起飞和加速期间，组合发动机以涡轮模态工作，冲压环形通道的阀门将冲压通道关闭，以防止涡轮发动机排气经过冲压通道回流到涡扇发动机的进口。当飞行器加速达到冲压发动机工作状态时，涡轮发动机减速至慢车状态或停止工作，冲压环形通道打开，进气道捕获的空气经环形通道进入冲压燃烧室，组合发动机以冲压模态工作。涡轮发动机可以根据不同飞行速度选择发动机处于慢车状态、风车状态或关闭发动机进、出口阀门使发动机停车。
1.2 并联式组合冲压发动机工作原理
并联式涡轮冲压组合动力在起飞状态由涡轮发动机地面起动，将飞行器爬升加速到涡轮发动机和冲压发动机的模态转换点，在此过程中，冲压发动机不进行点火工作，冲压流道保持打开状态，以减少流阻损失;模态转换阶段，冲压发动机点火，涡轮发动机逐步节流，进气分流机构配合喷管喉部面积变化重新分配涡轮发动机和冲压发动机的进气量，直至进气道捕获的空气全部进入冲压发动机，涡轮发动机停止工作并关闭前后通道;完成模态转换后，冲压发动机单独工作，飞行器进一步爬升加速到设计的巡航高度和速度，组合发动机进入巡航状态;返航初始阶段，冲压发动机在高空节流减速，直到接近飞行器能自主飞行的最小速度，冲压停止工作;下滑阶段，飞行器逐渐下降到合适高度，进一步减速到一定速度后，涡轮发动机进气流道逐渐打开，涡轮发动机进行风车启动，投入工作，在涡轮发动机作用下实现飞行器的自主着陆。
串联式TBCC主要难点在于组合动力的设计，包括高温、高速下涡轮发动机的改进设计，加力/冲压双模态燃烧室设计以及热管理、热防护和高温材料等关键技术。而并联式TBCC重点需突破动力应用，即飞/发一体化设计和进排气系统的设计。相对而言，并联式TBCC由于涡轮发动机在冲压模态下关闭，只有非旋转部件承受高温气流的冲击，材料较串联式TBCC要求较低。同时，并联式TBCC在结构设计上也更为简单。
2 并联式组合冲压发动机原理样机结构形式
并联式组合冲压发动机原理样机是由小型涡扇发动机核心机和小型冲压发动机上下并联组成，使用共同的进排气装置，通过进排气装置的分流板将涡轮涵道与冲压涵道分开。两者共同进气、分别排气，进气装置分流板几何不可调，排气装置由两个相对独立的单边膨胀喷管组成，喷管几何不可调。小型涡扇发动机核心机主要由高压压气机、短环形燃烧室、高压涡轮、单边喷管以及燃油与控制系统、起动电气系统、机械系统等组成;小型冲压发动机主要由亚燃冲压燃烧室、单边膨胀喷管、燃油与控制系统、点火系统等组成。
3 并联式组合冲压发动机原理样机高空台模态转换试验
3.1 试验目的 并联式组合冲压发动机原理样机高空模态转换试验主要目的在于实现涡轮发动机向冲压发动机的模态转换过程，以检验涡轮发动机与冲压发动机组合工作能力，在冲压发动机状态变化过程涡轮发动机的稳定工作能力等。冲压基向涡轮基的逆转换过程，主要检验冲压基关闭后，涡轮发动机在原有的空中起动包线内能否成功起动。
3.2 试验方案
根据小型冲压发动机和小型涡扇发动机核心机的工作包线，确定并联式组合动力原理样机工作包线及模态装换点位置。组合冲压发动机模态转换点为高空高马赫数状态点，直接进行组合冲压发动机高空台模态转换试验存在较大难度，为此，通过分步试验、逐项验证来降低技术风险，首先进小型冲压发动机摸底试验，根据摸底试验结果，结合小型涡扇发动机核心机工作包线开展核心机摸底试验。
综合考虑涡轮发动机的工作能力、冲压发动机的点火性能和摸底试验结果及试验设备能力，选取合适状态点为组合发动机的模态转换点，由涡轮基向冲压基的模态转换过程中，涡轮发动机逐渐节流直至慢车状态，冲压发动机逐渐增大状态，直至转换过程完成。
3.3 试验步骤
3.4 模态转换完成条件
本项试验的主要目的在于验证涡轮基向冲压基转换的过程，转换成功的关键在于涡轮基工作期间，冲压发动机能否点燃并稳定工作。
因模态转换完成后组合发动机冲压燃烧室出口最高温度将升至近2000K，常规温度传感器难以达到该要求。转换过程中冲压发动机处于低状态工作，其点火成功后无法及时观测到喷管出口火焰情况。同时，在模态转换过程中，涡轮发动机和冲压发动机在推力和空气流量上均有一定变化。图1、图2分别模拟了组合冲压发动机在模态转换过程中涡轮发动机、冲压发动机和组合发动机在各状态下的推力及空气流量变化情况。
因此，模态转换成功与否，可间接通过监测组合发动机的推力、进口总压和冲压燃烧室隔热屏壁温的变化情况来进行判断。
3.5 试验过程
模态转换试验各步骤过程详见图3。
由图3可知，冲压发动机主油路供油后，随着余气系数α的降低，冲压发动机空气流量减小，进口总压升高，隔热屏壁温、喷管壁温相应升高;涡轮发动机空气流量增大，压比减小，涡轮后温度降低。模态转换顺利完成，整个过程组合发动机工作稳定。
4 结语
涡轮冲压组合动力的模态转换技术是发动机实现两种模态转换，并正常稳定工作的关键技术。通过并联式TBCC原理样机的高空模拟试验，摸索了组合冲压发动机试验方法与试验技术，初步验证了并联式TBCC组合动力的模态转换技术，验证了组合冲压发动机的设计和计算方法。
参考文献：
[1]李继保，周人治，李刚团.涡轮-冲压组合发动机技术发展综述.40周年院庆文集，2010.
[2]諸惠民.涡扇冲压组合发动机概念研究.建所三十周年科技论文选编.
[3]张明阳，周莉，王占学，张晓博.外并联式TBCC发动机模态转换性能模拟与分析[J].推进技术，2018，39（11）：2429-2437.
Abstract： The principle prototype of a parallel turbo ramjet combined engine is composed of a small turbofan engine and a ramjet in parallel， sharing intake and exhaust devices. This thesis mainly studies the working principle of the parallel turbo ramjet combined engine and the modal conversion test scheme， and verifies its principle and scheme through high-altitude simulation.
关键词：并联式涡轮冲压组合动力;模态转换;试验方案
Key words： parallel turbine stamping combined power;modal conversion;test plan
中图分类号：S219.031 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0003-03
1 基本概念及原理
涡轮冲压组合发动机是通过将涡扇发动机和冲压发动机组合起来使用的变循环吸气式发动机。根据涡扇发动机和冲压发动机主要部件的关系和流程分为串联布局和并联布局。冲压发动机按其工作模态分为亚燃、超燃和双燃冲压发动机。亚燃冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，推进速度可达6倍音速;超燃冲压式发动机在Ma4～4.5左右开始投入运行，飞行速度高达Ma5～16，理论上可以达到Ma25左右;而在双燃冲压发动机中，实现了亚燃和超燃两种工作模态有机结合，其运行限速约为Ma3，最大飞行速度约为Ma6.5。
串联式TBCC迎风面积小，推重比高，但由于其需要在很宽的工作范围内保证高总压恢复系数，并且在冲压模式下涡轮发动机仍需稳定工作，设计难度大;并联式TBCC迎风面积较大，虽然推重比较低，但研制难度较小、周期短。
1.1 串联式组合冲压发动机工作原理
串联式组合冲压发动机在起飞和加速期间，组合发动机以涡轮模态工作，冲压环形通道的阀门将冲压通道关闭，以防止涡轮发动机排气经过冲压通道回流到涡扇发动机的进口。当飞行器加速达到冲压发动机工作状态时，涡轮发动机减速至慢车状态或停止工作，冲压环形通道打开，进气道捕获的空气经环形通道进入冲压燃烧室，组合发动机以冲压模态工作。涡轮发动机可以根据不同飞行速度选择发动机处于慢车状态、风车状态或关闭发动机进、出口阀门使发动机停车。
1.2 并联式组合冲压发动机工作原理
并联式涡轮冲压组合动力在起飞状态由涡轮发动机地面起动，将飞行器爬升加速到涡轮发动机和冲压发动机的模态转换点，在此过程中，冲压发动机不进行点火工作，冲压流道保持打开状态，以减少流阻损失;模态转换阶段，冲压发动机点火，涡轮发动机逐步节流，进气分流机构配合喷管喉部面积变化重新分配涡轮发动机和冲压发动机的进气量，直至进气道捕获的空气全部进入冲压发动机，涡轮发动机停止工作并关闭前后通道;完成模态转换后，冲压发动机单独工作，飞行器进一步爬升加速到设计的巡航高度和速度，组合发动机进入巡航状态;返航初始阶段，冲压发动机在高空节流减速，直到接近飞行器能自主飞行的最小速度，冲压停止工作;下滑阶段，飞行器逐渐下降到合适高度，进一步减速到一定速度后，涡轮发动机进气流道逐渐打开，涡轮发动机进行风车启动，投入工作，在涡轮发动机作用下实现飞行器的自主着陆。
串联式TBCC主要难点在于组合动力的设计，包括高温、高速下涡轮发动机的改进设计，加力/冲压双模态燃烧室设计以及热管理、热防护和高温材料等关键技术。而并联式TBCC重点需突破动力应用，即飞/发一体化设计和进排气系统的设计。相对而言，并联式TBCC由于涡轮发动机在冲压模态下关闭，只有非旋转部件承受高温气流的冲击，材料较串联式TBCC要求较低。同时，并联式TBCC在结构设计上也更为简单。
2 并联式组合冲压发动机原理样机结构形式
并联式组合冲压发动机原理样机是由小型涡扇发动机核心机和小型冲压发动机上下并联组成，使用共同的进排气装置，通过进排气装置的分流板将涡轮涵道与冲压涵道分开。两者共同进气、分别排气，进气装置分流板几何不可调，排气装置由两个相对独立的单边膨胀喷管组成，喷管几何不可调。小型涡扇发动机核心机主要由高压压气机、短环形燃烧室、高压涡轮、单边喷管以及燃油与控制系统、起动电气系统、机械系统等组成;小型冲压发动机主要由亚燃冲压燃烧室、单边膨胀喷管、燃油与控制系统、点火系统等组成。
3 并联式组合冲压发动机原理样机高空台模态转换试验
3.1 试验目的 并联式组合冲压发动机原理样机高空模态转换试验主要目的在于实现涡轮发动机向冲压发动机的模态转换过程，以检验涡轮发动机与冲压发动机组合工作能力，在冲压发动机状态变化过程涡轮发动机的稳定工作能力等。冲压基向涡轮基的逆转换过程，主要检验冲压基关闭后，涡轮发动机在原有的空中起动包线内能否成功起动。
3.2 试验方案
根据小型冲压发动机和小型涡扇发动机核心机的工作包线，确定并联式组合动力原理样机工作包线及模态装换点位置。组合冲压发动机模态转换点为高空高马赫数状态点，直接进行组合冲压发动机高空台模态转换试验存在较大难度，为此，通过分步试验、逐项验证来降低技术风险，首先进小型冲压发动机摸底试验，根据摸底试验结果，结合小型涡扇发动机核心机工作包线开展核心机摸底试验。
综合考虑涡轮发动机的工作能力、冲压发动机的点火性能和摸底试验结果及试验设备能力，选取合适状态点为组合发动机的模态转换点，由涡轮基向冲压基的模态转换过程中，涡轮发动机逐渐节流直至慢车状态，冲压发动机逐渐增大状态，直至转换过程完成。
3.3 试验步骤
3.4 模态转换完成条件
本项试验的主要目的在于验证涡轮基向冲压基转换的过程，转换成功的关键在于涡轮基工作期间，冲压发动机能否点燃并稳定工作。
因模态转换完成后组合发动机冲压燃烧室出口最高温度将升至近2000K，常规温度传感器难以达到该要求。转换过程中冲压发动机处于低状态工作，其点火成功后无法及时观测到喷管出口火焰情况。同时，在模态转换过程中，涡轮发动机和冲压发动机在推力和空气流量上均有一定变化。图1、图2分别模拟了组合冲压发动机在模态转换过程中涡轮发动机、冲压发动机和组合发动机在各状态下的推力及空气流量变化情况。
因此，模态转换成功与否，可间接通过监测组合发动机的推力、进口总压和冲压燃烧室隔热屏壁温的变化情况来进行判断。
3.5 试验过程
模态转换试验各步骤过程详见图3。
由图3可知，冲压发动机主油路供油后，随着余气系数α的降低，冲压发动机空气流量减小，进口总压升高，隔热屏壁温、喷管壁温相应升高;涡轮发动机空气流量增大，压比减小，涡轮后温度降低。模态转换顺利完成，整个过程组合发动机工作稳定。
4 结语
涡轮冲压组合动力的模态转换技术是发动机实现两种模态转换，并正常稳定工作的关键技术。通过并联式TBCC原理样机的高空模拟试验，摸索了组合冲压发动机试验方法与试验技术，初步验证了并联式TBCC组合动力的模态转换技术，验证了组合冲压发动机的设计和计算方法。
参考文献：
[1]李继保，周人治，李刚团.涡轮-冲压组合发动机技术发展综述.40周年院庆文集，2010.
[2]諸惠民.涡扇冲压组合发动机概念研究.建所三十周年科技论文选编.
[3]张明阳，周莉，王占学，张晓博.外并联式TBCC发动机模态转换性能模拟与分析[J].推进技术，2018，39（11）：2429-2437.