航空发动机号称“工业明珠”，因其复杂的结构，涉及的行业众多，苛刻的运行环境，研制难度非常大，即便是工业发达的美国，研制一代航空发动机也要耗时15年以上。最近官方证实涡扇15已经量产装机，五代航发也开始选材。这标志着我国在喷气发动机领域与美国的技术差距已经大幅度缩小，起码已经从最初的2代差距缩小到半代以内。这背后体现的是我国整体工业技术水平取得巨大飞跃。

2021年曝光的疑似涡扇15装机试飞的照片

涡扇15和五代航发这类传统喷气式航空发动机再厉害，飞行包线也非常有限，最高飞行速度难以超过3马赫，最高飞行高度难以超过30000米。

今年3月初，歼20总设计师杨伟在接受央视采访时，第一次透露了中国未来第六代机的技术细节：1、可根据飞行高度和空间进行变形；2、能够突破传统的空间进行跨大气层作战；3、基于智能蒙皮，机身可以自动修复，并带有传感器。

很多人可能没意识到，歼20总设计师杨伟所说的六代机实际上并不是美国标准六代机，而是美国标准七代机。

人类研制的战斗机总体发展方向是向着飞得更高、飞得更快、飞得更远的总目标推进的。根据美国已经公开的消息来看，美国的第六代战斗机采用的是美国标准第六代航空发动机，即自适应变循环发动机。从程荣辉总师的论文介绍来看，我国正在研制的第五代航空发动机基本上也可以确定是自适应变循环发动机。显然，我国正在研制的第五代战斗机也是采用自适应变循环发动机。而采用这种发动机的战斗机显然是无法实现跨大气层作战的。

这说明杨伟所说的六代机是中国标准六代机，而不是美国标准六代机，相当于美国标准第七代战斗机。那么这是否说明我国继歼20之后的第五代战斗机是早已开始研制，甚至已经推进到原型机阶段呢？

中国标准六代机跨大气层飞行示意图

要实现跨大气层飞行，发动机必须具备超宽的工作速域，还要能够在没有空气的太空工作。传统的航空发动机肯定是做不到的。

那么有没有什么发动机能够做到，既能在大气层内运行，又能在太空运行呢？

还真有，大家所熟知的传统火箭发动机就是这样一种发动机。

然而，传统火箭发动机也存在一个致命缺点，那就是比冲太低，只有300-470秒左右。传统喷气式航空发动机的等效比冲则高达5000秒以上，甚至超过8000秒。这意味着，产生同等推力，火箭发动机消耗的燃料将是传统喷气式发动机的10倍，甚至20倍以上。这个固有缺点也是火箭发动机不能成为战斗机发动机的根本原因。

然而要实现跨大气层飞行，必不可少的就是发动机要能够在没有空气的环境中运行。目前研究人员找到的解决办法是在传统火箭发动机的基础上加上吸气装置和预冷装置，即协同吸气式火箭发动机。

相比传统火箭发动机，协同吸气式火箭发动机在大气层飞行阶段，可充分利用空气中的氧气，在大气层飞行段无需消耗氧化剂，可大大节省从启动到入轨全程的氧化剂消耗，从而大幅度提升等效比冲。这种发动机集“涡喷/涡扇”、“亚燃冲压/超燃冲压”、“液体火箭发动机”三类发动机特点为一体，是一种组合循环发动机，优势十分突出，但研制难度也很大。

组合循环发动机种类

1、结构

协同吸气式火箭发动机是将液体火箭发动机、涡轮发动机与冲压喷气发动机集成为一体的新概念发动机；主要由圆环形超音速进气锥、机舱（Nacelle）、预冷器、压缩机、涡轮泵、火箭发动机、喷嘴、冲压发动机等部分组成；其中，吸气式液体火箭发动机与外涵道冲压发动机共用进气锥、进气道、机舱结构等，两者还可共用燃料箱、燃料供油泵和部分管路等。燃料方面可以选择煤油、液氢、液体甲烷等液体火箭燃料。

2、工作原理

液体火箭发动机从超音速进气口进入的空气，首先通过预冷器（其功能相当于第一级压缩机）冷却，以提高空气密度，涡轮带动压缩机旋转压缩送入的空气，压缩后的空气进入燃烧室，与从喷嘴喷出的燃料混合燃烧，最后从火箭发动机的尾喷管喷出产生推力；若干个小型冲压发动机设置在火箭发动机尾喷管周围，在飞行速度超过3马赫后，从超音速进气道进入的空气被压缩，进入冲压发动机的燃烧室与从喷嘴喷出的燃料混合后燃烧，产生高温燃气从20个小型尾喷管喷出，两者共同推动飞行器速度达到5马赫且能持续飞行。

英美两国正在联合研制的协同吸气式火箭发动机的结构示意图

由于飞行器速度达到5马赫及更高速度时旋转式多级轴流压气机完全不能满足压缩吸入空气的需求，协同吸气式火箭发动机（SABRE）的一个重大创新就是采用无旋转部件、冷却空气实现第一级空气压缩。在高超音速飞行时，进入协同吸气式火箭发动机的空气温度高达1000℃，该温度下的空气密度很小，需要提高空气密度与煤油混合燃烧，火箭发动机才能达到较高的运行效率。为解决这个问题，采用由数以千计、壁厚比头发丝还薄、阿基米德螺旋线形薄壁管和在其中流动的冷却液组成预冷器，将进入预冷器的1000℃左右的高温空气在5～10毫秒内降温——相当于实现了空气压缩，再用传统的压缩机进行第二次压缩后送入火箭发动机燃烧室，这样就可支持高超音速飞行器以5马赫以上的速度飞行。

协同吸气式火箭发动机包括吸气式火箭、吸气式火箭/亚燃冲压、超燃冲压、吸气式火箭/超燃冲压、传统火箭等5种运行模式，总体上可分为大气层内吸气工作模态和大气层外闭式循环火箭工作模态，前者包括吸气式火箭、吸气式火箭/亚燃冲压、吸气式超燃冲压、吸气式火箭/超燃冲压4种吸气工作模态，后者为传统火箭发动机工作模态。

据了解，采用碳氢燃料的亚燃冲压发动机的工作速度大概是3～5马赫，超燃冲压发动机工作速度为5～9马赫，而采用液氢燃料之后，超燃冲压发动机工作速度为5～16马赫。其中，亚燃冲压模式的运行比冲大概是1000～2000秒，超燃冲压模式的运行比冲为1000～1500秒，若采用氢燃料，前者运行比冲为2500～4000秒，后者运行比冲为1000～3000秒。在比冲方面，相比火箭发动机具有2倍以上的优势。

各种发动机随着马赫数增加，比冲的变化情况

通过这5种工作模态的切换，协同吸气式火箭发动机可实现从0至第一宇宙速度（约7.9公里/秒）以上的超宽速域运行。这种发动机有望成为杨伟所说的第六代战斗机的发动机，从而赋予战斗机跨大气层作战的能力。届时战斗机和轰炸机很可能合二为一，不再区分。其中，技术难度最大，最关键的预冷器研制成功之后，还能衍生出预冷式涡喷发动机，可将涡喷发动机的最高运行速度提升到3马赫甚至5马赫。而吸气式火箭发动机和冲压发动机也能组合成其他新型发动机。

因此，仅从技术层面上来看，相比涡扇15和未来可能列装的变循环发动机，协同吸气式火箭发动机堪称划时代发动机，更加令人期待的。

2021年4月，《中国航天报》发布了一篇名为《“云龙”来了!组合动力发动机关键试验,用于空天往返飞行器》的新闻报道，文中提到“目前该“云龙”发动机已经完成了大尺度深度预冷器、微通道高低温换热器的设计和制造技术攻关，全新氦涡轮系统和氦压缩系统等关键技术攻关获得突破。”

另据《中国日报》报道，2022年7月4日，由西北工业大学航天学院空天组合动力创新团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射，国际首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力，突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术，飞行试验圆满成功。

疑似“飞天一号”火箭测试动态图

根据报道的描述来看，“飞天一号”火箭冲压组合动力明显具有协同吸气式火箭发动机的特征，很可能是“云龙”发动机缩比验证机。

这两则报道证实，我国很可能已经造出协同吸气式火箭发动机缩比样机，并成功测试过。而在前几天，网友就曝出一架我国伊尔76运输机挂载神秘发动机试飞的照片，上一篇文章我们也分析了它很可能就是我国正在研制的“云龙”发动机工程样机。