本发明涉及一种飞行器动力系统，具体涉及一种双组元空气涡轮火箭推进系统，解决了现有飞行器动力系统不能满足高超声速飞行器对动力系统的需求的技术问题。本发明的技术解决方案是：一种双组元空气涡轮火箭推进系统，包括沿燃气喷射方向依次连接的发动机壳体、二次燃烧室和尾喷管；发动机壳体和二次燃烧室的内腔设置整流锥、轴流风扇、连接轴、一次燃烧室、燃气涡轮和掺混装置；整流锥的出口端连接在轴流风扇入口；轴流风扇与燃气涡轮之间设置一次燃烧室；一次燃烧室的入口连接推进剂供应管路，出口连接燃气涡轮的入口；燃气涡轮的出口与掺混装置中的内流道连通；掺混装置和二次燃烧室之间形成的外流道与轴流风扇的出口连通。