廖孟豪 ¦ 美空军正式公布基于“佩刀”空天发动机的水平起降两级入轨飞行器概念方案
2016年9月中旬，美国空军研究实验室如期公布了两套与美国SEI公司合作开发的基于英国反作用发动机公司“佩刀”发动机（SABRE，全称“协同吸气式火箭发动机”）的水平起降两级入轨飞行器概念方案。
美国空军研究实验室从2014年1月开始对英国“佩刀”发动机进行技术考察。2015年4月，美国空军研究实验室确认了“佩刀”发动机的技术可行性，但同时认为，基于“佩刀”发动机的“云霄塔”水平起降单级入轨飞行器在短期内仍存在较大技术风险，宜作为更远期的发展目标。因此美国空军研究实验室与美国SEI公司合作，开始着手研究两级入轨等风险更低、周期更短的“佩刀”发动机应用方案概念。2016年9月，美国空军研究实验室在AIAA会议上如期公布了两套基于“佩刀”发动机的两级入轨应用方案概念研究的成果，包括概念方案及其仿真计算方法与工具。
概念方案1：部分可重复使用、起飞总重159吨、轨道载荷2.25吨
总体方案：部分重复使用两级入轨飞行器包含可重复使用的第一级（即下面级）和一次性使用的第二级（即上面级），其中第一级采用大后掠角边条加后掠下单翼无尾布局，2台“佩刀”发动机安装在主翼中部位置，采用翼尖小翼提供航向安定和操纵；第二级为采用氢氧发动机的一次性火箭，安装在第一级飞行器机腹的内埋载荷舱内。两级入轨飞行器整机总长约45米，比B-1B轰炸机约长1米，起飞总重159吨，其中第一级重144吨，第二级15吨；能够将2.25吨载荷送入高度183千米、倾角28.5°的圆轨道。
基于“佩刀”发动机的部分可重复使用水平两级入轨飞行器概念方案（美国空军研究实验室图片）
作战概念：第一级飞行器启动“佩刀”发动机的吸气式工作模态，从常规跑道上水平起飞，加速爬升到约20千米高度、马赫数4.4时转换到火箭模态，继续加速爬升到约80千米高度、马赫数8时，机腹舱门开启，第二级飞行器与第一级分离后继续点火爬升直至将载荷送入轨道，同时第一级飞行器无动力滑翔返回并水平着陆到起飞机场，返回过程中“佩刀”发动机会再次启动并关机。
基于“佩刀”发动机的部分可重复使用水平两级入轨飞行器作战概念（美国空军研究实验室图片）
概念方案2：完全可重复使用、起飞总重590吨、轨道载荷9吨
总体方案：完全重复使用两级入轨飞行器包含可重复使用的第一级和第二级，其中第一级总体布局与方案1的第一级相似，采用2台“佩刀”发动机，使用液氢液氧燃料；第二级采用与X-37B类似的总体布局，采用液氧煤油火箭发动机，起飞时驼伏在第一级飞行器机背。两级入轨飞行器整机总长约57米，起飞总重590吨；能够将约9吨载荷送入高度183千米、倾角28.5°的圆轨道。
基于“佩刀”发动机的完全可重复使用水平两级入轨飞行器概念方案（美国空军研究实验室图片）
作战概念：第一级飞行器起飞、爬升、滑翔、着陆等环节均与方案1相同，但本方案中，第二级飞行器与第一级分离后，点火爬升将载荷送入轨道后，本身不具备入轨条件，在“绕地球一周”后无动力滑翔返回起飞机场。因此，第二级飞行器实质上是一架可重复使用的亚轨道飞行器。
在开展概念方案研究的同时，美国空军研究实验室也在2016年初安排了预研项目，研究和测试“佩刀”发动机的核心技术——即适用于马赫数4级高速涡轮发动机的预冷却技术。项目前两个阶段（通常不超过3年）主要是在美国重复英国反作用发动机公司已经完成的预冷却器地面试验，即预冷却器缩比样机研制和试验。项目第三阶段计划开展飞行试验，但没有具体时间安排。美国空军开发顶层概念方案、安排关键技术预研的举动已经表明，基于“佩刀”发动机技术的水平起降两级入轨飞行器方案已经纳入成为美国可重复使用空天运载飞行器的重要技术路线之一。在整个可重复使用空天运载飞行器技术方向，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）、美国航空航天局（NASA）和美国空军按照不同技术路线，着眼近期和远期分别安排了基于火箭动力的部分可重复使用两级入轨飞行器演示验证项目（即XS-1“试验性太空飞机”项目，计划2020年前完成飞行验证）、基于TBCC及火箭动力的完全可重复使用两级入轨飞行器技术预研和基于RBCC及火箭动力的完全可重复使用两级入轨飞行器技术预研。美国空军基于“佩刀”发动机的新路线可望成为既有技术布局的搅局者，加速美国在可重复使用空天运载飞行器上的创新发展。
从公开信息来看，基于深度换热预冷技术的“佩刀”发动机概念已经受到了来自美国国防部和NASA等高层官员的高度关注和极大兴趣。而另一方面，英国反作用发动机公司为吸引美国等欧洲之外的更大市场，瞄准多级运载飞行器、X试验机、高超声速技术验证机等潜在应用，也在最近公布了地面推力20吨级的“佩刀”发动机小型验证机的研制计划（详见本文文末列出的廖孟豪先生第8篇专栏文章）。我们分析认为，“佩刀”发动机技术可能不仅会助推美国在可重复使用空天运载飞行器技术方向的发展，还会在整个高超声速技术领域带来颠覆性的变革，加速美国高超声速技术及装备向前发展。
廖孟豪先生此前曾为《空天防务观察》撰写9篇专栏文章，如下表：
序号 | 篇名 | 发表日期 |
1 | 2015年3月2日 | |
2 | 3月16日 | |
3 | 6月29日 | |
4 | 2016年4月20日 | |
5 | 8月16日 | |
6 | 9月19日 | |
7 | 9月21日 | |
8 | 9月23日 | |
9 | 9月25日 |
有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。
（中国航空研究院 廖孟豪）
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