美赫尔墨斯公司验证涡轮基组合循环发动机预冷技术

作者北京海鹰科技情报研究所 何译宁近日，美国赫尔墨斯公司选用普惠F100涡扇发动机作为“奇美拉II”涡轮基组合循环（TBCC）发动机涡轮部分，在加利福尼亚州爱德华兹空军基地开展预冷技术验证，美国赫尔墨斯公司称，该试验标志着其下一代飞机“夸特马Mk.2”推进系统达到首个重要里程碑

一、项目概况重复使用侦察/打击高超声速飞机是美军近年来发展的重要方向，美国赫尔墨斯公司于2019年宣布进入高超声速飞机研发行列

该公司将有序发展3型高超声速飞机，一是“夸特马”高超声速飞机，是一型小型验证机，采用“奇美拉I”TBCC发动机，涡轮部分为GE公司的J85发动机，计划2024年试飞；二是重复使用中型机“黑马”，采用“奇拉美II”TBCC发动机，涡轮部分选用普惠F100发动机，具有多任务的灵活性，计划2025年试飞；三是具备更大尺寸、20人座的高超声速客机“翠鸟”，计划2029年试飞

“夸特马”作为该公司开发的首型高超声速飞机，共需开发4型原型机：“夸特马Mk.0”能够测试飞机动力系统和地面控制系统；“夸特马Mk.1”将于2024年进行首次飞行，重点演示自主起飞及着陆；“夸特马Mk.2”预计将于2025年开展飞行试验并达到超声速，重点验证TBCC低速工作模式；“夸特马Mk.3”将于2026年推出，该验证机可验证TBCC高速工作模式和飞行器的整体性能

二、动力系统研究现状“夸特马”项目的核心技术是TBCC发动机的研发，目前，赫尔墨斯公司在研的“奇美拉II”TBCC发动机，未来将为“夸特马Mk.2”高超声速飞机提供动力

（一） 技术特点“奇美拉II”TBCC发动机由涡轮和冲压发动机串联组成，结构相对简单，可实现推进系统的快速研发

为解决TBCC发动机模态转换推力衔接难的问题，该公司在进气道和压气机之间设置射流预冷装置，以水为冷媒在瞬间降低来流温度，将涡轮发动机的运行范围提升至马赫数3左右，填补了与冲压发动机的“推力陷阱”

此外，射流预冷技术成熟度较高、成本较低，但会增大飞行器的流动阻力和结构重量，可作为短期内实现高超声速飞行的过渡方案

（二） 前期进展2020年3月，赫尔墨斯完成了一型基于TJ-100涡轮发动机的小型TBCC发动机集成、静态试验和高速（达到马赫数5）试验，完成了各动力组件单独运行试验

2022年6月，该公司完成“奇美拉”发动机地面试验，实现发动机地面上全推力运行

2022年11月，该公司在“奇美拉Ⅰ”TBCC发动机的地面试验中成功实现了涡轮喷气发动机到冲压发动机的模态转换，涡轮基选用GE航空的J85-21涡喷发动机（配装美军三代战斗机和教练机）

2023年3月，该公司确定了F100发动机的基准性能，对“奇美拉II”发动机的进气道、涵道系统、预冷器、冲压燃烧室和排气喷管等部件进行了改造

2023年6月，该公司宣布已接收首台普惠F100涡扇发动机（配装F-15、F-16战斗机），该发动机将成为“奇美拉Ⅱ”的涡轮部分，将“夸特马”速度推至2.8马赫左右过渡至冲压模态，据称采用现货F100发动机可节省数十亿美元研发成本、缩短数年研制周期

三、结束语预冷技术可使TBCC发动机在高马赫数下实现涡轮动力向冲压动力稳定过渡，使高超声速飞机保持高速长距离飞行，可在任何合适的跑道起降，是美实现重复使用高超声速飞行器技术的重要支撑