开发高超音速飞行器的Hermeus（赫尔墨斯）日前在其官方媒体上发布了成功测试TBCC顺利转换的视频，Hermeus官方称已经完成高超音速里的程碑：从涡轮喷气发动机到冲压喷气发动机的模式转换！
Hermeus是一家致力于高超音速飞行器的研制公司，目标是制造出5马赫以上的飞行器，以超过协和超音速客机数倍的速度，在90分钟横渡大西洋抵达欧洲，为此该公司与NASA以及美国军方合作，目前TBCC的试制成功，高超音速飞行器的时代或即将到来！
Hermeus的TBCC：从涡轮喷气到冲压喷气
2022年11月17日，Hermeus 展示了Chimera（奇美拉）发动机在圣母大学涡轮机械实验室的超音速风洞中测试的视频，这个实验室的风洞可以加热空气以模拟高马赫数的温度和压力，测试视频如下：
这是Chimera（奇美拉）发动机从涡轮机状态切换到冲压发动机状态的转换过程，有些平台的朋友可能看不到这个视频，下面补上GIF图，由于时间比较长，质量稍差，各位凑合着看：
各位能看到中间有一个简短的切换过程，开始时空燃比相当低的涡轮发动机模式，此时火焰为淡蓝色，之后发动机蓝色火焰消失，尾喷口变成暗红状态，同时推力减小，但很快冲压模式启动，矩形尾喷口喷出耀眼的黄色火焰，发动成功工作在了冲压模式下。Hermeus的首席执行官AJ Piplica表示：
“这一成就是Hermeus的一个重要技术里程碑，”
“但不仅如此，它还证明了我们的团队能够以远低于同行的预算快速设计、构建和测试硬件。”
Hermeus的CTO Glenn Case则表示：
“在地面上成功完成了这项测试将大大降低了我们将于明年年底开始的Quarterhorse飞行器测试的风险。”
Chimera发动机的工作模式非常奇特，低速时处在涡喷发动机工作模式，与其他喷气式发动机没有什么差别，但随着进气温度和速度的增加将达到涡喷发动机的极限速度2马赫，此时Chimera发动机在进气道中将启动一个预冷器，它将压榨出发动机的极限性能，一直工作到3马赫。
之后Chimera发动机进气道关闭，整台发动机将封闭成一个亚燃冲压发动机的预压缩进气锥，进入进气道的气流将绕过涡喷发动机并且在周围的冲压发动机预压缩进气道中压缩，汇集到涡喷发动机后燃室位置喷入燃料点燃，冲压发动机开始工作，Chimera之后将工作在冲压模式下，速度最高可达5马赫左右。
Hermeus表示，Chimera是TBCC发动机中相当独特的一种，Chimera发动机可以在零速度下启动并达到最高速度5马赫，同时这种发动机将于明年安装到Quarterhorse飞行器上进行测试。
Quarterhorse飞行器：5马赫的高超音速飞机
Quarterhorse是致力打造的最高速度可达5马赫的高超音速飞机，使用的就是Chimera发动机，2021年9月进行了Chimera发动机的核心GEJ85-21涡喷发动机测试，之后测试了预冷器，11月17日进行了涡喷到冲压发动机之间的转换，看来进展相当顺利！
Hermeus还真不简单，2021年3月和NASA签署了太空法案协议，开发高马赫数的商用概念飞机，7月拿到了美国空军授予的6000万美元的合同，尽管不知道之间是否有内幕，但能搞出涡轮-冲压组合循环发动机的公司，还是有两把刷子的！
TBCC：究竟是怎样的一种发动机？
上文的Chimera发动机就是TBCC的一种，之所以要将GEJ85-21涡喷发动机和冲压发动机组合在一起是因为冲压发动机不能零速度启动，这种发动机性能优越而结构却简单到极致，能提供强劲的动力，但缺点是必须将发动机置于0.5倍音速以上的气流中才能启动。
当然启动速度低的冲压发动机进气道在高速有些局限，因此为了追求极速的冲压发动机启动速度也会相应提高，比如Chimera发动机的冲压部分就是在3马赫左右启动，极速是5马赫，超过5马赫后冲压发动机内部的气流将达到超音速，将需要过渡到超燃冲压发动机的进气道和燃烧室才能稳定燃烧，这又是另一个更高要求的设计了。
GEJ85-21是一台小型单轴涡轮喷气发动机，最早开发于1950年代，尽管其开发相当早，但性能比较稳定，曾用于F-5E/F战斗机，生产总量超过1.2万台。其尺寸不大，在其外部设置一个外涵道作为冲压发动机的启动发动机再合适不过。
J85发动机：没有外涵道
为什么要预冷？
Hermeus的官网介绍了Chimera发动机在2马赫后会启动预冷，很多朋友都不明白为什么要将发动机气流预冷，其实原因很简单，预冷可以降低气流温度，减小空气的体积，同样流量的发动机可以通过更多气流，以改善发动机的工况。
与预冷式组合循环火箭发动机不一样，Chimera发动机的预冷应该还不至于急冷到零下的100℃的级别，不过Hermeus官方没有说明到底预冷到什么程度，因此暂时还不能确定其工作温度范围。
超过3马赫后，涡喷前方锥形冲压进气封闭，气流将通过涡喷外部的进气道进行压缩，被旁路到后半部分的冲压燃烧室，在途中将混入燃料，在燃烧室点燃后从尾喷口排出形成动力，这就是Chimera发动机工作的大致过程。
TBCC发动机：其实不止一种
除了Chimera这种类型外，还有涡轮基超燃的TBCC，也有并联的TBCC等，工作原理是类似的，只是结构上大同小异，比如涡轮基超燃冲压发动机，它需要让涡轮发动机推动超过5马赫后才能点燃。
涡轮基发动机很难达到这个要求，目前比较可能的是涡轮基+亚燃超燃冲压一体的发动机，不过这个条件下的冲压发动机的进气道和燃烧室设计难度更高。另一种则是并联式TBCC，也就是涡轮发动机和冲压发动机并行不止，通过切换进气道实现两者工作模式的切换。
除了这些“常规”的TBCC以外还有一些比较特殊的模式，比如预冷式组合循环的英国“佩刀”（SABRE）发动机和“猎鹰”组合循环发动机项目（FaCET）以及先进全速域发动机项目（AFRE）等。
高超音速发动机：到底有哪几种？
高超音速飞行器是一种速度远高于目前最快的战斗机，但低于火箭能达到的最高速度、在大气层内飞行的一种飞行器，优势是不需要像火箭那样建设一个巨大的发射场，也无需各种测控环境，能像普通飞机一样起飞，1~2小时内即可以实现跨洲际的飞行器。
这种飞行器可以使用大气层中的氧气，不需要携带氧化剂，还能使用空气动力下产生的升力，能达到很高的载荷比，也比火箭更节省燃料，并且还能多次重复使用、将成本控制在普通人都能承受的范围，而这种飞行器的军事用途更让全球各国趋之若鹜！
当然这种飞行器的实现难度也相当大，不仅要在气动控制上实现高超音速飞行，还有必须能将这种飞行器推进到高超音速的发动机，以目前的技术而言，大概有如下几种：
1、爆震发动机：脉冲、旋转和斜爆震发动机；
2、组合循环发动机：TBCC、RBCC与TREE发动机；
3、火箭发动机；
第三种肯定不行，明显是来凑数的哈！比较有前途的是爆震发动机，其中脉冲爆震发动机的极速大概在5~6马赫范围内，而旋转爆震发动机可达10马赫以上，斜爆震发动机可达14~17马赫，看速度是斜爆震发动机最高，但这种发动机的启动速度比超燃冲压发动机还高，门槛达到了6~7马赫，因此就目前而言最实用的还是旋转爆震发动机，或者倾斜爆震发动机和斜爆震发动机组合达到极高超音速状态。
组合循环发动机
TBCC、RBCC和TREE发动机，光看缩写就有点晕菜，还是先来介绍下这几种发动机的到底是什么发动机名词的缩写：
- TBCC：涡轮基组合动力循环发动机（turbine-based combined-cycle engine）
- RBCC：火箭基组合动力循环发动机（rocket-based combined-cycle engine）
- TRRE：涡轮火箭基组合发动机（Turbo-aided Rocket-augmented Ramjet Combined Cycle Engine，TRRE）
这三种发动机中，RBCC是火箭与超燃冲压发动机的组合，其原理就是用火箭加速到超燃发动机工作状态，一般用在导弹类武器上，本文就不多费笔墨了，下文介绍TBCC和TRRE中比较特殊的两类：
英国反作用发动机公司研制的“佩刀”（SABRE）发动机
这种发动机比较有趣，原理是利用涡轮压缩机将空气压缩后注入火箭发动机当做氧化剂，与燃料混合燃烧在“火箭模式”，为了增加流量与压缩比，这种发动机还采用了氦预冷，将空气在100毫秒内骤冷至-150℃，并且保证其空气中的水分不结冰，然后送入压缩机压缩后再到火箭发动机。
推动飞行器到达30千米高度以上后，空气中的氧气无法再支持稳定燃烧，此时发动机燃烧室的空气进气道将直接注入氧气、切换到火箭模式继续推进飞向太空！没错，这种发动机不止是高超音速，它还想飞向太空，是空天飞机的理想动力。
航天科工集团北京动力机械研究所：涡轮火箭基组合发动机（TRRE）
这台发动机什么原理？看看官方介绍：
2019年1月12日媒体报道：TRRE发动机总体设计室主任冮强在国内公开发表的有关资料披露，飞行器在大气中维持高超声速机动飞行（ 马赫数>5 ）的最佳方案是采用超燃冲压发动机，但是超燃冲压发动机并不具备从静止速度加速到高超音速的能力
航天科工31所在国际上首次提出的TRRE吸气式组合循环发动机方案将涡轮、火箭和冲压发动机三者高度集成，液体火箭大幅增加5马赫以下发动机的推力，实现了涡轮发动机与超燃冲压发动机之间的平稳接力。其热力循环和工作过程有机组合，各发动机进气流道高度一体，克服了2.5到5马赫之间涡轮发动机推力不足的缺点。
各位看这个介绍估计应该是明白了吧，上文中Chimera（奇美拉）发动机是涡轮基亚燃冲压发动机，但超燃发动机需要到5马赫以上才能启动，但涡喷目前无法胜任，航天科工的解决办法是在涡轮发动机的2.5马赫后~5马赫之间，用引射火箭发动机“辅助”，让飞行器达到5马赫后启动超燃冲压发动机，尽管结构确实有些复杂，但解决了涡轮发动机和超燃冲压发动机之间的动力“空挡”。
延伸阅读：暗星战斗机可能用了什么发动机？
《壮志凌云2》中阿汤哥驾驶的“暗星”战斗机，尽管是科幻片中的飞行器，但就飞行器而言还是比较靠谱的，其发动机在过程中经历了一次切换，看起来很像是并行的TBCC结构，也就是同一个进气道，上半部分是涡轮喷气发动机，下半部分是超燃冲压发动机。
因为其最高速度能达到10马赫以上，这就表示这种发动机至少也是超燃冲压发动机，当然也有可能是斜爆震发动机，不过斜爆震启动速度要6~7马赫以上，涡轮喷气发动机的极速达不到这么高，因此属于涡轮+超燃冲压发动机的概率比较高。
而燃料部分则可能是氢燃料，因为碳氢燃料由于冷却进气道的气流温度比较有限，其最高速度只能达到7马赫左右，而氢燃料可以用预热的方式冷却气流，极速可达10马赫以上！虽然氢燃料相当不错，但保存很困难，因此未来更有可能还是碳氢（航空煤油）为燃料。
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