近年來，高超聲速飛行器因其優越的作戰性能成為軍事強國競相研發的熱點，高超聲速飛行器的最大技術阻礙之一就是其動力系統，不同速度和高度範圍內的需要採用不同類型的發動機，傳統的渦輪發動機、火箭發動機、衝壓發動機都不可能獨自“包打”全部飛行包線。為了兼顧安全性、經濟性和飛行效能的綜合要求，需要將不同類型的發動機組合在一起工作，從而保證高超聲速飛行器在寬廣的高度/速度飛行包線內高效率可靠的工作。
目前，各國提出了多種高超聲速飛行器動力系統方案，除了升級版的超燃/亞燃衝壓發動機、火箭發動機，還有渦輪基組合循環發動機（TBCC）、火箭基組合循環發動機（RBCC）、渦輪火箭基組合發動機（TRRE）等。
亞燃/超燃衝壓發動機：高超聲速巡航導彈的理想選擇
超燃衝壓發動機也就是超聲速燃燒的意思，超聲速（通常是3馬赫以上）氣流沒有減速直接衝進發動機燃燒室，然後與燃燒混合燃燒。形象一點說，就好比“在颶風中點燃一根火柴，並穩定燃燒”，可見其難度之大。由於超燃衝壓發動機內部沒有轉動部件，結構相對簡單緊湊，通常被用作高超聲速巡航導彈的主要動力。
美國曾經在超燃衝壓發動機領域起步較早，長期以來投入大量資金，因此一直據領先地位，大名鼎鼎的X-51A驗證機就是用了超燃衝壓發動機。不過，美國近年來在這個領域也遇到了技術瓶頸，主要問題仍然是保持持續穩定的超聲速燃燒方面，因此X-51A等項目先後遭遇多次失敗。從現有資料看，中國科研人員採用了雙凹腔結構提高燃燒穩定性，雖然燃燒室結構更加複雜，但發動機工作更加可靠穩定。
除了超燃衝壓發動機，還有將超燃和亞燃技術融為一體的新型發動機，特別適合應用於高超聲速導彈。亞燃和超燃兩種衝壓發動機，工作原理相同，但各自的優勢速度區域不同。渦輪噴氣發動機的工作區間是2馬赫以內，超燃衝壓發動機則是5馬赫以上，在這個速度區間內，最理性的動力是亞燃衝壓發動機。
將亞燃、超燃組合起來的方法有兩種：一種是將兩種發動機機理整合到一臺發動機上，通過使用不同的燃燒室來實現共同工作，這就是亞燃/超燃雙燃燒室衝壓發動機。這種發動機的進氣道分為兩部分，一部分引導部分來流進入亞聲速燃燒室，另一部分引導來流進入超聲速燃燒室，亞燃燃燒室不光用於3馬赫左右的飛行，而且還可以在馬赫數達到4、5的時候為超燃燃燒室點火。這種方案技術簡單，很適合用於巡航導彈這樣的一次性飛行器。
另一種就是亞燃/超燃雙模衝壓發動機。這種發動機在6馬赫以上以正常的超燃狀態工作，而當馬赫數低於6時，會在進氣道內產生正激波，通過激波讓氣流減速，從不到6馬赫減到聲速以下，這樣一來發動機就變成了亞燃工作模式。這種方式擴展了超燃衝壓發動機的工作範圍，使其成為了一種雙模衝壓發動機。
不過，亞燃/超燃衝壓發動機很多時候還必須匹配渦輪噴氣發動機使用。衝壓發動機有一個特點：無法零速度啟動。因為此時飛行器不運動，就沒有氣流導入燃燒室工作。因此高超聲速飛行器必須匹配渦輪噴氣發動機，於超燃衝壓發動機構成渦輪基組合循環發動機。當然，如果把它用到高超聲速導彈上，單獨使用也是可以的--因為導彈會裝備火箭發動機，從而滿足衝壓發動機的起動條件。
渦輪基組合循環發動機（TBCC）：空天飛機的動力希望
如果說超燃衝壓發動機為核心的新型高超聲速發動機，是高超聲速飛行器特別是導彈最佳的動力選擇，那麼對於尺寸和重量更大的高超聲速飛行器類型，比如空天飛機等，渦輪基組合循環發動機則是佳配。
渦輪基組合循環發動機，實際上就是將衝壓發動機和渦輪噴氣式發動機組合在一起，並能夠根據飛行環境靈活切換動力類型，從而充分發揮各自優勢，使飛行器具備跨介質飛行的動力。從動力結構角度講，可分為串聯和並聯兩種形式。空天飛機未來在大氣層內外自由往返的希望，將主要寄託於這種既可以在大氣層內工作，又可以在稀薄空氣種工作的新型發動機。
最早的串聯式渦輪基組合循環發動機，應該是SR-71“黑鳥”上使用的J58發動機，在上世紀60年代，這臺動力稱得上一個奇蹟。從結構上看，J58由渦輪噴氣發動機和加力燃燒室/亞燃衝壓發動機串聯組成。在2馬赫以下速度飛行時，主要是渦輪噴氣發動機工作，空氣通過渦輪葉片、壓氣機等進入燃燒室燃燒。當飛行速度達到3馬赫時，大量空氣就不經過前端部分，直接進入串聯在後部的亞燃衝壓發動機，此時前端的渦輪噴氣發動機僅提供總推力的17%，而亞燃衝壓發動機則成為主動力。
正是由於 J58的特殊動力形式，SR-71才能夠在30千米高空以3馬赫以上高速長時間巡航飛行。美國最新型的SR-72高超音速無人偵察機，也使用渦輪基組合循環發動機，最高飛行速度達6馬赫，甚至連先進的“愛國者”、S-400和紅旗-9等防空導彈都望塵莫及。
相對而言，並聯式發動機更簡單一些，而且多采用上下並聯的方式，渦輪發動機位於組合發動機的上半部分，衝壓發動機位於下半部分，二者同樣共用進氣道和噴管。進氣道和噴均為可調結構，當起飛和低速飛行時，進氣道上流道打開，下流道關閉，渦輪發動機工作；當飛行器加速到一定速度後，進氣道上流道逐步關閉，渦輪發動機轉速逐步下降直至停車，下流道逐步打開，氣流進入衝壓發動機的燃燒室，衝壓發動機開始工作，並將飛行器加速到更高的速度。這種發動機具有控制相對簡單、可採用常規渦噴發動機等特點，但同時也存在結構複雜、空間尺寸大、與飛行器一體化設計困難等問題。
以目前的科技水平，上述渦輪基組合發動機還存在突出的矛盾問題：組合發動機在不同狀態下，只有一種動力在工作，另一部分則成為死重。比如在25千米的時候，渦輪發動機在工作，這時候衝壓發動機用不上，就是個多餘的重量；到了35千米的時候，渦輪發動機又成了死重。這個問題不僅使動力結構更復雜，而且飛行器的推重比上不去，也嚴重影響飛行性能和載荷能力。
儘管如此，渦輪基組合發動機應用於空天飛機等高超聲速飛行器，在安全性、可靠性、經濟性方面仍然具有明顯的優勢。使用了渦輪基發動機，空天飛機就可以像常規飛機那樣從地面水平起飛，然後入軌飛行；遇到緊急情況，也可以隨時終止飛行，水平返回地面；而火箭發射的空天飛機顯然就難以處理這種狀況。渦輪基發動機比火箭發動機的熱負荷低、流量小，因而可靠性和運行費用也遠遠低於火箭發動機。
火箭基組合循環發動機（RBCC）：先進極速飛行器的最佳選擇
火箭基組合循環發動機，實際上就是在亞燃/超燃發動機的基礎上增加一個火箭發動機，使得整個組合循環發動機的工作過程分為火箭引射、亞燃、超燃和純火箭四個狀態。
這種動力比較獨特的是火箭引射過程：與亞燃/超燃發動機並聯的火箭發動機點火後，高超聲速飛行器從地面起飛，待飛行速度達到3馬赫之後，火箭的排氣量相應減少，此時空氣正常進入亞燃/超燃發動機，並先後進入亞燃和超燃工作狀態；最後高超聲速飛行器的速度達到12馬赫，此時亞燃/超燃發動機的進氣道徹底關閉，僅使用火箭發動機繼續推進。
火箭基組合循環發動機最大的優點，就是將火箭發動機高推重比的優勢，與亞燃/超燃發動機高比衝的優勢結合在一起，從而實現了航天推進的高效性和經濟性的最佳組合，並有效降低了使用成本，增加了系統安全性。美國X-43飛行器就採用了火箭基組合循環系統(RBCC)，儘管在首次試飛中墜毀，但仍創下了6.83馬赫的飛行紀錄。
渦輪火箭基組合發動機（TRRE）：新銳高超發動機的傑作
英國“佩刀”發動機使用這種組合動力形式，大致可稱為“協同吸氣式火箭發動機”。它是目前進展速度較快，技術成熟度較高的高超聲速發動機設計方案之一。
“佩刀”發動機的前身，是英國羅爾斯羅伊斯公司於上世紀80年代研發的RB545“吸氣式氫氧發動機”，這款發動機是英國“霍托爾”單級入軌空天飛機的配套動力。RB545採用單一機體式發動機方案，與前文所述的“並聯渦輪火箭基組合發動機”不同，其優勢在於：吸氣式渦扇發動機與火箭發動機共用燃燒室、噴管等重要部件，又避免了並聯式渦輪火箭基發動機的死重問題，使得發動機設計更為合理，推重比更高。
RB545發動機兼有噴氣發動機和火箭發動機的功能和優點，有兩種工作狀態：空氣噴氣發動機工作狀態和液氫液氧發動機工作狀態。在大氣層內飛行時，採用吸氣式渦輪發動機模態，依靠吸入空氣中的氧燃燒工作，可以大大降低液氧攜帶量，降低起飛重量；待飛出大氣層後，則切換至氫氧火箭發動機模態工作。
“佩刀”發動機在RB545發動機方案基礎上有了進一步改進，成為一種傳統的渦輪發動機轉子部件、衝壓發動機和火箭發動機的組合，充分利用了吸氣式發動機和液體火箭發動機的優勢，在大氣層內以吸氣式模式工作，當飛行速度達到5馬赫，高度達到26千米時，轉為火箭發動機模式，利用所帶的液氫液氧，繼續加速至25馬赫以上，將飛行器推送到300千米高度的近地軌道。這種發動機能夠在消耗較少燃料的情況下，實現多種發動機（或組合循環發動機）才能完成的工作，從而大大降低了起飛總重，未來前景非常可觀。
從上世紀80年代起，我國就開始在TBCC發動機技術領域展開攻關。進入新世紀以來，中國啟動了包括“騰雲”空天飛機在內的一系列高超聲速飛行器項目，並提出了三套備選動力裝置，分別是航天科工的TRRE（渦輪火箭組合動力）、航天科技的RBCC（火箭組合動力）和中航工業的TBCC（渦輪衝壓動力）。
目前，我國自主研發的渦輪基組合循環發動機（TBCC）已經完成試飛驗證，即將進入飛機-發動機集成測試階段，新一代高超聲速無人機項目進展順利，中國空天飛機已經呼之欲出！
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