近年来，高超声速飞行器因其优越的作战性能成为军事强国竞相研发的热点，高超声速飞行器的最大技术阻碍之一就是其动力系统，不同速度和高度范围内的需要采用不同类型的发动机，传统的涡轮发动机、火箭发动机、冲压发动机都不可能独自“包打”全部飞行包线。为了兼顾安全性、经济性和飞行效能的综合要求，需要将不同类型的发动机组合在一起工作，从而保证高超声速飞行器在宽广的高度/速度飞行包线内高效率可靠的工作。
目前，各国提出了多种高超声速飞行器动力系统方案，除了升级版的超燃/亚燃冲压发动机、火箭发动机，还有涡轮基组合循环发动机（TBCC）、火箭基组合循环发动机（RBCC）、涡轮火箭基组合发动机（TRRE）等。
亚燃/超燃冲压发动机：高超声速巡航导弹的理想选择
超燃冲压发动机也就是超声速燃烧的意思，超声速（通常是3马赫以上）气流没有减速直接冲进发动机燃烧室，然后与燃烧混合燃烧。形象一点说，就好比“在飓风中点燃一根火柴，并稳定燃烧”，可见其难度之大。由于超燃冲压发动机内部没有转动部件，结构相对简单紧凑，通常被用作高超声速巡航导弹的主要动力。
美国曾经在超燃冲压发动机领域起步较早，长期以来投入大量资金，因此一直据领先地位，大名鼎鼎的X-51A验证机就是用了超燃冲压发动机。不过，美国近年来在这个领域也遇到了技术瓶颈，主要问题仍然是保持持续稳定的超声速燃烧方面，因此X-51A等项目先后遭遇多次失败。从现有资料看，中国科研人员采用了双凹腔结构提高燃烧稳定性，虽然燃烧室结构更加复杂，但发动机工作更加可靠稳定。
除了超燃冲压发动机，还有将超燃和亚燃技术融为一体的新型发动机，特别适合应用于高超声速导弹。亚燃和超燃两种冲压发动机，工作原理相同，但各自的优势速度区域不同。涡轮喷气发动机的工作区间是2马赫以内，超燃冲压发动机则是5马赫以上，在这个速度区间内，最理性的动力是亚燃冲压发动机。
将亚燃、超燃组合起来的方法有两种：一种是将两种发动机机理整合到一台发动机上，通过使用不同的燃烧室来实现共同工作，这就是亚燃/超燃双燃烧室冲压发动机。这种发动机的进气道分为两部分，一部分引导部分来流进入亚声速燃烧室，另一部分引导来流进入超声速燃烧室，亚燃燃烧室不光用于3马赫左右的飞行，而且还可以在马赫数达到4、5的时候为超燃燃烧室点火。这种方案技术简单，很适合用于巡航导弹这样的一次性飞行器。
另一种就是亚燃/超燃双模冲压发动机。这种发动机在6马赫以上以正常的超燃状态工作，而当马赫数低于6时，会在进气道内产生正激波，通过激波让气流减速，从不到6马赫减到声速以下，这样一来发动机就变成了亚燃工作模式。这种方式扩展了超燃冲压发动机的工作范围，使其成为了一种双模冲压发动机。
不过，亚燃/超燃冲压发动机很多时候还必须匹配涡轮喷气发动机使用。冲压发动机有一个特点：无法零速度启动。因为此时飞行器不运动，就没有气流导入燃烧室工作。因此高超声速飞行器必须匹配涡轮喷气发动机，于超燃冲压发动机构成涡轮基组合循环发动机。当然，如果把它用到高超声速导弹上，单独使用也是可以的--因为导弹会装备火箭发动机，从而满足冲压发动机的起动条件。
涡轮基组合循环发动机（TBCC）：空天飞机的动力希望
如果说超燃冲压发动机为核心的新型高超声速发动机，是高超声速飞行器特别是导弹最佳的动力选择，那么对于尺寸和重量更大的高超声速飞行器类型，比如空天飞机等，涡轮基组合循环发动机则是佳配。
涡轮基组合循环发动机，实际上就是将冲压发动机和涡轮喷气式发动机组合在一起，并能够根据飞行环境灵活切换动力类型，从而充分发挥各自优势，使飞行器具备跨介质飞行的动力。从动力结构角度讲，可分为串联和并联两种形式。空天飞机未来在大气层内外自由往返的希望，将主要寄托于这种既可以在大气层内工作，又可以在稀薄空气中工作的新型发动机。
最早的串联式涡轮基组合循环发动机，应该是SR-71“黑鸟”上使用的J58发动机，在上世纪60年代，这台动力称得上一个奇迹。从结构上看，J58由涡轮喷气发动机和加力燃烧室/亚燃冲压发动机串联组成。在2马赫以下速度飞行时，主要是涡轮喷气发动机工作，空气通过涡轮叶片、压气机等进入燃烧室燃烧。当飞行速度达到3马赫时，大量空气就不经过前端部分，直接进入串联在后部的亚燃冲压发动机，此时前端的涡轮喷气发动机仅提供总推力的17%，而亚燃冲压发动机则成为主动力。
正是由于 J58的特殊动力形式，SR-71才能够在30千米高空以3马赫以上高速长时间巡航飞行。美国最新型的SR-72高超音速无人侦察机，也使用涡轮基组合循环发动机，最高飞行速度达6马赫，甚至连先进的“爱国者”、S-400和红旗-9等防空导弹都望尘莫及。
相对而言，并联式发动机更简单一些，而且多采用上下并联的方式，涡轮发动机位于组合发动机的上半部分，冲压发动机位于下半部分，二者同样共用进气道和喷管。进气道和喷均为可调结构，当起飞和低速飞行时，进气道上流道打开，下流道关闭，涡轮发动机工作；当飞行器加速到一定速度后，进气道上流道逐步关闭，涡轮发动机转速逐步下降直至停车，下流道逐步打开，气流进入冲压发动机的燃烧室，冲压发动机开始工作，并将飞行器加速到更高的速度。这种发动机具有控制相对简单、可采用常规涡喷发动机等特点，但同时也存在结构复杂、空间尺寸大、与飞行器一体化设计困难等问题。
以目前的科技水平，上述涡轮基组合发动机还存在突出的矛盾问题：组合发动机在不同状态下，只有一种动力在工作，另一部分则成为死重。比如在25千米的时候，涡轮发动机在工作，这时候冲压发动机用不上，就是个多余的重量；到了35千米的时候，涡轮发动机又成了死重。这个问题不仅使动力结构更复杂，而且飞行器的推重比上不去，也严重影响飞行性能和载荷能力。
尽管如此，涡轮基组合发动机应用于空天飞机等高超声速飞行器，在安全性、可靠性、经济性方面仍然具有明显的优势。使用了涡轮基发动机，空天飞机就可以像常规飞机那样从地面水平起飞，然后入轨飞行；遇到紧急情况，也可以随时终止飞行，水平返回地面；而火箭发射的空天飞机显然就难以处理这种状况。涡轮基发动机比火箭发动机的热负荷低、流量小，因而可靠性和运行费用也远远低于火箭发动机。
火箭基组合循环发动机（RBCC）：先进极速飞行器的最忧选择
火箭基组合循环发动机，实际上就是在亚燃/超燃发动机的基础上增加一个火箭发动机，使得整个组合循环发动机的工作过程分为火箭引射、亚燃、超燃和纯火箭四个状态。
这种动力比较独特的是火箭引射过程：与亚燃/超燃发动机并联的火箭发动机点火后，高超声速飞行器从地面起飞，待飞行速度达到3马赫之后，火箭的排气量相应减少，此时空气正常进入亚燃/超燃发动机，并先后进入亚燃和超燃工作状态；最后高超声速飞行器的速度达到12马赫，此时亚燃/超燃发动机的进气道彻底关闭，仅使用火箭发动机继续推进。
火箭基组合循环发动机最大的优点，就是将火箭发动机高推重比的优势，与亚燃/超燃发动机高比冲的优势结合在一起，从而实现了航天推进的高效性和经济性的最佳组合，并有效降低了使用成本，增加了系统安全性。美国X-43飞行器就采用了火箭基组合循环系统(RBCC)，尽管在首次试飞中坠毁，但仍创下了6.83马赫的飞行纪录。
涡轮火箭基组合发动机（TRRE）：新锐高超发动机的杰作
英国“佩刀”发动机使用这种组合动力形式，大致可称为“协同吸气式火箭发动机”。它是目前进展速度较快，技术成熟度较高的高超声速发动机设计方案之一。
“佩刀”发动机的前身，是英国罗尔斯罗伊斯公司于上世纪80年代研发的RB545“吸气式氢氧发动机”，这款发动机是英国“霍托尔”单级入轨空天飞机的配套动力。RB545采用单一机体式发动机方案，与前文所述的“并联涡轮火箭基组合发动机”不同，其优势在于：吸气式涡扇发动机与火箭发动机共用燃烧室、喷管等重要部件，又避免了并联式涡轮火箭基发动机的死重问题，使得发动机设计更为合理，推重比更高。
RB545发动机兼有喷气发动机和火箭发动机的功能和优点，有两种工作状态：空气喷气发动机工作状态和液氢液氧发动机工作状态。在大气层内飞行时，采用吸气式涡轮发动机模态，依靠吸入空气中的氧燃烧工作，可以大大降低液氧携带量，降低起飞重量；待飞出大气层后，则切换至氢氧火箭发动机模态工作。
“佩刀”发动机在RB545发动机方案基础上有了进一步改进，成为一种传统的涡轮发动机转子部件、冲压发动机和火箭发动机的组合，充分利用了吸气式发动机和液体火箭发动机的优势，在大气层内以吸气式模式工作，当飞行速度达到5马赫，高度达到26千米时，转为火箭发动机模式，利用所带的液氢液氧，继续加速至25马赫以上，将飞行器推送到300千米高度的近地轨道。这种发动机能够在消耗较少燃料的情况下，实现多种发动机（或组合循环发动机）才能完成的工作，从而大大降低了起飞总重，未来前景非常可观。
从上世纪80年代起，我国开始在TBCC发动机技术领域展开攻关。进入新世纪以来，中国启动了包括“腾云”空天飞机在内的一系列高超声速飞行器项目，并提出了三套备选动力装置，分别是航天科工的TRRE（涡轮火箭组合动力）、航天科技的RBCC（火箭组合动力）和中航工业的TBCC（涡轮冲压动力）。
目前，我国自主研发的涡轮基组合循环发动机（TBCC）已经完成试飞验证，即将进入飞机-发动机集成测试阶段，国产新一代高超声速无人机项目进展顺利，中国空天飞机已经呼之欲出！
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