关注｜可重复使用火箭+超燃冲压发动机——航天运载器的新方向
针对长期以来低成本“快速空间进入”的能力需求，近年国外采取了两种不同的技术策略：基于可重复使用火箭的近期空间进入方案和基于吸气组合循环动力技术的远期解决方案。2016年11月17日BBC网站披露，澳大利亚昆士兰大学正在研究一种不同于上述两者的技术方案——三级入轨运载器，目标是实现将500kg卫星送入轨道的低成本能力。
创新的三级入轨运载器方案
该三级入轨运载器名为SPARTAN，由可重复使用火箭助推器、可重复使用超燃冲压发动机和传统的小型火箭发动机相继提供动力。该运载器可像传统的火箭一样起飞，第一级助推火箭发动机将其加速到Ma5以上后分离。第二级展开机翼，由超燃冲压发动机接力工作，将飞行速度提高到Ma10，并飞越2/3的航程，将运载器送入外大气层。之后第二级分离，第三级接力工作。第一级和第二级在工作结束后都会飞回基地。
SPARTAN运载器的飞行任务剖面
SPARTAN的第一级就像简易的小型飞机，昆士兰大学将其命名为澳大利亚运载器（Austral Launch Vehicle，ALV)，将采用分阶段（四个）逐步增加复杂度的研发方式。
◆ ALV-0：1:4缩比，只有飞机模式，成本极低；
◆ ALV-1：1:4缩比，火箭和飞机两种模式，采用合金结构和 HAVBUS电子设备；
◆ ALV-2：1:2缩比，全弹道，液体推进剂(LOX /甲烷)，能够发射小卫星和高超声速试飞器；
◆ ALV-3：商用运载器。
在过去的两年，昆士兰大学对火箭发动机和超燃冲压发动机进行了多次地面试验。2015年12月23日，ALV-0成功进行了首次发射试验，以高超声速飞越400km，飞行软件工作正常。2017年将在武麦拉靶场继续进行试验，最终目标是在昆士兰的北海岸发射较大尺寸的运载器。
ALV的首飞
与其他新型入轨方式技术特点对比
SPARTAN系统提供了一种降本易行地进入空间的思路，三级入轨技术方案可以说是对可重复使用火箭方案的发展，对吸气组合循环动力技术方案的简化。
首先，SPARTAN系统力争最大化实现可重复使用。项目负责人称该系统95%的工作时段都由可重复使用推进系统提供动力，而且在2/3的航程内，超燃冲压发动机可以有效利用空气的氧气，因此与美国DARPA正在推进的XS-1基于“可重复使用一级运载器+上面级太空飞机”方案相比，SPARTAN的三级入轨方案更具有经济优势，可以降低将卫星送入轨道的成本。
同时，与RBCC、TBCC或英国的佩刀发动机相比，三级入轨方式省去了组合循环推进带来的技术挑战，简化了模态转换、喉道调节、燃烧组织等难题。这些技术难题目前仍是制约组合循环推进技术发展的关键。如美国尽管在RBCC、TBCC领域已进行了半个多世纪的探索，2017年将启动的先进全速域发动机（AFRE）项目的主要目标还是对TBCC推进系统从涡轮到双模冲压发动机的模态转换进行验证。
昆士兰大学前期技术积累情况
澳大利亚昆士兰大学在高超声速吸气式推进技术研究领域拥有雄厚的技术积累。通过与多国进行国际合作，先后进行过HyShot、HyCAUSE、HIFiRE。尤其是在与美国合作实施HIFiRE的过程中，积累了大量关于推进、气动与气动热、高温材料和结构等方面的数据，为深化机理认知、构建高超声速理论体系奠定了基础。针对可重复使用超燃冲压发动机昆士兰大学已进行了多年的研究。2010年昆士兰大学还牵头开展了基于超燃冲压发动机的进入空间系统（Scramjet-based Access-to-Space Systems，SCRAMSPACE），对上游（进气道）喷注技术、自由基贮存燃烧技术进行了研究，这些都将成为SPARTAN顺利实施的保障。
结语
应该说，SPARTAN的三级入轨方案是目前在技术风险和发射成本间较为现实的折衷选择，在规避组合循环技术挑战的同时，尽量利用相对简单的可重复使用动力技术，通过接力工作的方式降低入轨成本，为我们提供了一种非常值得借鉴的低成本入轨思路。但是，由于各级动力装置分别独立工作，无法有机工作、优势互补，因此该三级入轨方案也存在着一定的技术局限性。
作者： 北京海鹰科技情报研究所 李文杰
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