【军事文摘】专利分析知天下：火箭基组合循环(RBCC)发动机技术发展研究
专利分析知天下
火箭基组合循环(RBCC)发动机技术发展研究
李峰 李夜兰 马曙辉
一、RBCC技术研究概览
火箭基组合循环(RBCC)发动机将高推重比、低比冲的火箭发动机和低推重比、高比冲的吸气式发动机有机地组合在一起，促使二者扬长避短，成功实现了航天推进的高效性与经济性的有效组合，为世界各航天大国所重视。
申请专利是各国研究机构将智力成果转化为知识产权的重要手段，研究机构往往选择将专利作为公开其研究成果的第一选择。因此，专利文献中往往蕴含有重要的技术信息。作者深入检索了国内外RBCC相关专利，截至2014年11月30日，共检索到专利146项。经过定性和定量分析，获得了如下结果。
各国RBCC发动机技术专利申请量
自20世纪中叶以来, 世界各航天大国开展了RBCC的研究工作,并取得了一定成果。经统计分析，各国在RBCC主要技术领域的专利申请数量分别为美国35件、日本31件、法国27件、德国21件、俄罗斯14件、中国13件。
这些国家开展RBCC研究的时间不同，由此带来了RBCC技术专利申请数量的变化，专利申请数量的多少与各国RBCC研究的计划数量紧密相关。20世纪40年代，美国开始了RBCC概念性研究，由此出现了RBCC专利申请，而后美国的“重复使用航天运输系统研究计划”带来了RBCC专利申请的第一次高峰。RBCC专利申请的最高峰出现在20世纪90年代，这一时期，美国、俄罗斯、欧洲国家、日本均提出了各自的RBCC研究计划。2001年以后，专利申请数量又一次出现高峰，而这次高峰的到来主要由美国“CCE计划”、欧洲的“LAPCT计划”和日本的“单极入轨飞行器系统”等计划带来。
RBCC发动机专利申请趋势图
二、国外RBCC技术研究现状
1美国RBCC技术研究现状
美国对RBCC 的研究比较深入，早在 20 世纪 40 年代就开始了RBCC 的概念性研究。1960-1970美国开展了“可重复使用航天运输系统研究计划”，在该计划的牵引下，掀起 RBCC 研制的第一次高潮。20世纪90年代的ASTP计划掀起了第二次研究RBCC技术的热潮，多家公司和研究机构展开了大量研究。
美国“组合循环发动机部件发展计划”简称CCE 计划，该计划中以火箭冲压组合发动机为动力的飞行器叫做 Sentinel。该飞行器以引射模态作为低速段动力垂直起飞，飞行马赫数达到 3.5 时开始以双模态超燃冲压发动机模式进行工作，当飞行速度达到 马赫数8 时，第二级由一次性的过氧化氢助推火箭推送入轨，而第一级则返回地面水平降落。目前关于 Sentinel 的研究正在进行，其中飞行器的一体化气动设计和飞行轨迹的优化等工作已部分完成。
2 俄罗斯RBCC技术研究现状
俄罗斯航天局（RSA）于20世纪九十年代实施的OREL 高超声速技术研究计划是在研究可重复使用的天地往返运输系统（RSTS）的各项备选方案，以及相关的关键技术。其中“OREL-1”计划主要进行该运输系统总体方面的研究，“OREL-2-1”计划主要致力于吸气式推进系统的研究，“OREL-2-2”计划主要研究液化空气循环发动机。此外，俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM） 还进行了大量关于组合循环推进系统方面的研究。
3欧洲RBCC技术研究现状
欧空局（ESA）于1994-1998年开展的未来欧洲空间运输研究规划（FESTIP）对可重复使用的运载器进行了概念研究，并对相关技术进行了一些研究，研究领域包括结构、材料、推进、热防护和气体动力学五个方面。FESTIP 关于推进技术的研究主要集中在火箭推进上，同时也开展了RBCC 的研究, 特别是关于引射火箭的研究。
1998 年底至2002年，ESA 将未来欧洲空间运输研究规划 （FESTIP） 改称为未来运载器技术计划（FLTP）计划。该计划设计了2 种试验飞行器进行技术验证：EXTV和Themis。
2005 年欧洲航天局制定了长期先进推进概念和技术研究计划（LAPCAT）。主要开展了 RBCC 和 TBCC 组合推进的关键技术和飞行器概念设计。分别对煤油和氢燃料的 RBCC 推进系统的一次火箭和支板喷射等关键技术开展了研究。针对洲际飞行目标进行了推进系统和飞行器设计开展了系统分析研究。
4日本RBCC技术研究现状
日本从1992年就开始了RBCC 的研究工作，其总体结构类似于Aerojet公司的Strutjet 发动机。它计划在21 世纪20～30 年代研制出采用吸气式/火箭组合发动机作为推进系统的、水平起降、完全可重复使用的单级入轨空天飞机。日本国家空间实验室（NAL）初步选定了四种候选方案：火箭/超燃冲压（RES）；液化空气循环/超燃冲压发动机（LACES）；预冷涡轮喷气/超燃冲压发动机（PATRES）；引射亚燃冲压/超燃冲压发动机 （AERES）。
三、RBCC重点技术领域重点专利
重点技术领域专利分布图
RBCC发动机技术大致可分为总体方案设计、进排气系统、燃烧技术、以及燃料技术、热防护技术、地面试验技术等。据专利数据显示，其中国内外关于总体方案设计的专利有29项、关于进气道技术的专利有56项、关于燃烧技术的专利有39项。热防护技术、燃料技术与其他发送机有通用之处，相关专利较多，数量已达上千项。
1总体方案设计重点专利
关于总体方案设计的专利有29项，美国、日本和法国等提出了最新设计方案，例如美国的火箭引射推力增强总体方案、法国的马赫数2-12范围双模态超燃总体方案、法国的具有喉部可调、多次点火特点的设计方案等。
2进气道技术重点专利
关于进气道技术的专利有56项，美国亚特兰大研究公司等研究机构提出了其最新设计方案，例如变几何流道调节机构设计、关闭进气口的结构设计等。
3燃烧技术重点专利
日本宇宙航空研究开发机构在专利中介绍了一种利用碳氢燃料分解成氢作为燃料提高RBCC发动机性能的方法。系统有2个燃料贮箱、3个燃料涡轮泵、4个氧化剂贮箱、5个氧化剂涡轮泵和6个燃气发生器构成。自吸气发动机的提高加速性能的操作模式，来减小装有该发动机的空间飞行器的尺寸。事先装载高密度的碳氢燃料作为RBCC发动机的燃料源，通过燃料对发动机的壁面进行冷却的时候，燃料可以化学分解为适合不同发动机的燃料形式。不同的燃料分解形式得到的产物分别作为不同的发动机的燃料，这样就可以减小飞行器的尺寸，减小空气阻力，其加速性能也就自然得到提高。
四、我们应该怎么做？
（1）火箭基组合循环发动机技术的研发依然活跃。专利数据显示相关专利持续涌现，高潮迭起，我国应当重视这方面的决策信息，继续深入研究火箭基组合循环发动机。
（2）美国在火箭引射推力增强方案、变几何流道调节机构设计、关闭进气口的结构设计等方面，法国在马赫数2-12范围双模态超燃方案、喉部可调多次点火方案、日本在燃料系统设计等方面取得中重要进展，并记载在相应的专利中，这些信息值得我国在RBCC发动机的研制中借鉴吸收。
（3）专利分析是解决科研实际问题、提高技术创新起点、突破关键技术难题的重要手段。值得科研单位将其作为研究攻关的辅助手段。
（来源：海鹰资讯，作者:李峰 李夜兰 马曙辉)