黄志澄：“佩刀”改变高超声速推进 “游戏规则”
“佩刀”改变高超声速推进 “游戏规则”
远望智库特约研究员 黄志澄
正当各空天大国投入巨资研发超燃冲压发动机而技术仍未成熟之际，英国反应发动机公司（Reaction EnginesLimit，REL）的“协同吸气式火箭发动机”（Synergistic Air- Breathing Rocket Engine,SABRE，简称“佩刀”），在地面试验台上，完成的100多次试验，证明它能在百分之一秒内，将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度，不会造成霜冻堵塞，从而为高超声速推进系统的发展，开辟了一条全新的途径,改变了这个领域的“游戏规则（GameChange）”。
从“佩刀”到“弯刀”
“佩刀”发动机的诞生可以追溯到上世纪80年中期。那时许多国家,为了降低天地往返运输的费用，纷纷提出了多种水平起降的空天飞机的方案，其中最著名的是英国采用预冷式吸气火箭的“霍托尔(HOTOL)”、美国采用超燃冲压发动机的“东方快车（NASP）”和德国采用涡轮冲压组合发动机的“桑格尔（Sanger）”。在这些方案中，最关键的是其推进系统各不相同。到了90年代，这三国的空天飞机相继下马，但英国曾参与“霍托尔”研制的三名主力仍然坚持前行，于1989年成立了英国反应发动机公司，并自筹资金，低调实施“云霄塔（Skylon）”空天飞机计划，进行了大量的技术创新，特别是在发展“佩刀”发动机方面，取得了重大进展。
“佩刀”发动机具有两种工作模式。在火箭模式下,发动机以闭循环液氧/液氢高比冲火箭发动机工作；在吸气模式下(从起飞阶段到Ma大于5),液氧气流被大气中空气所代替,使发动机比冲增加了3-6倍。此时，空气流被吸入发动机,并在压缩之前被冷却至很低的温度。氢燃料在进入燃烧室之前作为闭循环氦回路的冷却剂,而冷却的氦气则用于冷却空气。“佩刀”发动机的关键组成部分是预冷热交换系统，该系统能冷却进气口吸入的空气。热交换系统由许多螺旋形缠绕的细小管道组成，空气通过热交换器时被管中流动的氦气冷却。反应发动机公司为此攻克了两个关键技术，其一是制造技术，他们采用了铬镍铁718合金管，孔径为0.98mm,厚度为40µm,它能确保良好的热交换性能而没有物理强度的降低。其二是霜冻堵塞的控制技术。若“佩刀”发动机研制成功，就可在其基础上发展两级入轨的空天飞机，进而发展单级入轨的“云霄塔”空天飞机。
弯刀"发动机示意图
反应发动机公司已经设计了一个源于“佩刀”的“弯刀”（SCIMITAR）液氢预冷发动机。“弯刀”发动机可以用于欧盟的“远期先进推进概念和技术计划(LongTerm Advanced Propulsion Concepts and Technology,LAPCAT)”的超音速客机，开启了客机Ma5时代。LAPCAT的飞行速度可达6437公里/时，大约是协和式超音速客机最高速度的2.5倍。乘客从伦敦飞到纽约将只需要2小时。此外，LAPCAT可以在28千米的高空飞行。当然，“弯刀”发动机也可用于军用飞机。
LAPCAT
强预冷吸气式发动机的特点
众所周知，涡轮喷气发动机在Ma5小于3时比冲最高、技术最成熟，但在更髙马赫数下，其性能急剧恶化，而此时冲压发动机具有优势，因此提出了将两种发动机组合起来的方案，即所谓“基于涡轮的组合循环（TurbineBased Combine dCycle，TBCC）”的组合发动机。但是这种发动机存在模态转換时的推力缝隙、背死重和防热难等一系列问题，至今并未得到实际应用。另一种组合发动机是“基于火箭的组合循环（RocketBased Combined Cycle，RBCC）”的组合发动机,即火箭发动机和冲压发动机的组合，由于其低速性地能较TBCC发动机低，存在两种发动机的流动通道的协调问题，也沒有达到实用阶段。
另外一种高超声速发动机的发展途径是预冷，即将高马赫数飞行时的高温空气冷却到发动机的正常温度。为此，美国捉出了射流冷却方荣，日本、俄罗斯提出了冷却器方案，均因技术复杂而并未进入研制阶段，只有英国提出的强预冷器加闭合循环的方案，得到了认可，成功进入了研制阶段。预冷对高超声速发动机带来诸多好处：首先，降低了发动机的进口气流温度，提高了飞行器的飞行马赫数，缓解了各工作部件的热环境。其次，降低进口气流的温度可以提高气体的密度而增加流量，从而增加推力。而预冷技术的关键是设计紧湊髙效的预冷器。其核心技术是选择換热介质和设计制造微型換热单元。在这方面，英国的“佩刀”和“弯刀”发动机方案取得了重大突破。
强预冷的“佩刀”发动机，与前述的TBCC和RBCC等组合发动机比，其优点是：飞行速度的范围大，飞行Ma数从0直到20以上；推重比和比冲具有优势，在整个飞行马赫数范围内比冲都高于组合发动机，推重比也最高，Ma2时推重比为9～14；Ma 5时推重比为6，它比TBCC组合发动机在所有的飞行马赫数范围可以降低耗油率18-23％；它用单一发动机即可实现多种发动机（或组合循环发动机）才能完成的工作，从而大大降低起飞总重；和亚燃和超燃双模态冲压发动机相比，它避免了目前难于成熟的十分复杂的流动和燃烧的控制，从而提高了可靠性。另一方面，“佩刀”和“弯刀”都采用氢为燃料，虽然氢的燃烧热值是碳氢燃料的2.8倍，保障了发动机有足够的推力，但氢的价格较贵，由于存在“氢脆”现象，对材料也提出了更高的要求。
结束语
据英国广大《每日邮报》7月12日报道，英国反应发发动机公司宣称它已募集到的资金达到了1.7亿美元，包括欧洲航天局（ESA）已签署合同的1110万美元；英国航天局承诺的6620万美元；英国BAE系统公司入股投资的2650万美元；公司创办时募集到的私人投资约6620万美元。该公司称其资金足够支撑在2020年前完成“佩刀”发动机缩比验证机的地面试验。该公司与美国空军签订了有关“佩刀”发动机技术的合作协议，后者正在开展这种发动机的潜在应用和发展等研究。因此，反应发动机公司正在美国科罗拉多州建立美国子公司，以加强与美国政府部门和工业伙伴的联系。
国际上对这种强预冷技术以很高的评价，认为这是一种发动机领域颠覆性技术，是继喷气技术发明以后的第二次革命。芵国大学与科学部认为这项技术将彻底改变人类在空中和太空中的旅行。美空军研究实验室（AFRL）认为“佩刀”发动机是一个有吸引力的技术，它在技术上可行，并可能会更早地在两级入轨空天飞机或国防中应用。北航陈懋章院士的航空发动机气动热力国家实验室团队认为，这是一项意义非凡的重大技术穾破，将改变整个航空发动机的面貌，有望成为未来最适用的高超声速动力技术。
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