组合发动机通过整合不同动力形式，实现飞行器从地面到太空全速域的高效运行。其典型应用为空天飞机，在低速阶段采用航空涡轮发动机，高速阶段切换至超燃冲压发动机，临近空间依赖火箭发动机完成动力衔接 。
技术方案涵盖火箭基组合循环（RBCC）、涡轮基组合循环（TBCC）、空气涡轮火箭组合发动机（ATR）、三组合发动机及多模块融合等类型 。其中SR-72高超声速飞机采用涡轮-冲压组合系统（TBCC），马赫数6巡航能力已验证，而“女武神II”飞机也采用TBCC。当前部分方案处于技术验证阶段，如美国X-51A双模超燃冲压发动机已完成4次马赫数5级飞行试验，最长持续工作时间达210秒，而三模块组合循环发动机在2024年3月仍处于概念设计阶段 。中国自主研发的涡轮基组合循环发动机（TBCC）已于2019年完成试飞验证 。2022年，中国研制的“飞天一号”发射成功，首次验证了采用煤油燃料的RBCC在多模态中平稳过渡的能力 。国际上，赫尔墨斯公司于2026年初宣布其采用TBCC动力的“夸特马”Mk2.1进行首飞前准备，金星航空航天公司则在2025年成功进行了旋转爆震火箭发动机的地面发射试飞 。
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