高超声速强预冷发动机——空天动力领域的颠覆性技术 | 邹正平
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1、引言
自上世纪中叶第一颗人造卫星进入轨道、叩响空天之门以来，人类从未放缓过探索太空、开发太空的步伐。其中空天飞行器作为进入太空必需的运输工具，不论在军事或商业航天领域中，与其他交通工具一样，廉价、可靠、快速灵活的特点是其追求的重要目标。而经过60余年的发展，目前空天飞行器仍以单次使用运载火箭为主，其发射成本约1亿美元以上、单位酬载成本约18,000美元/公斤，且具有2%～4%发射失败率以及数月的发射准备周期，由于高发射成本、可靠性不够高、发射周期长等问题，全世界一年的运载火箭发射仅百余次（2018年航天发射114次），直接限制了太空技术的发展。因此，发展低成本、高可靠性、使用方便灵活的可重复使用空天飞行器是空天技术发展的重要方向之一，而可重复使用的先进动力技术是实现该类型空天飞行器技术优势的核心。
火箭发动机作为现阶段发射次数最多、技术最为成熟的空天飞行器动力系统，就其技术原理本身而言，并不是适用于低成本可重复使用空天飞行器的最佳性能动力系统。该类型发动机自地面点火起采用自带氧化剂与燃料点燃产生推力，需携带大量氧化剂，使得推进剂质量占比极大，一般约85～92%；而由于大量的推进剂质量导致其有效载荷占比小，通常仅占总质量0.7～2.0%左右。例如：阿丽亚娜5G型运载火箭发射总重720吨，有效载荷质量仅为9.5吨，占比1.3%，而推进剂质量642吨，占比达89.2%，其中氧化剂又在推进剂中质量占比超过70%。由此可见，火箭发动机受工作原理限制需自身携带大量氧化剂，大幅度增加了发射质量及氧化剂消耗，使得动力系统比冲等性能较差，同时大量氧化剂质量导致其需要以多级的方式实现入轨，这些因素使得采用火箭发动机作为动力系统的空天飞行器发射成本居高不下。
为克服火箭发动机存在的这些问题，研究人员提出了在大气层内爬升阶段采用吸气模式的可重复使用空天飞行器动力系统方案，这类动力系统方案利用空气中氧气作为氧化剂，有效降低推进剂消耗及所需携带的质量，并由此可实现两级或单级入轨，可大幅降低空天运输成本，同时可通过多次重复使用分摊降低单次发射成本。然而为利用大气层内空气中氧气作为发动机氧化剂，首先面临的重要问题之一是高温问题：当空天飞行器在大气层内超高速飞行时，气流在进入发动机后减速过程中气流温度剧烈升高，其温度与空天飞行器飞行马赫数的平方成正比，例如在高空马赫数5飞行时气流进入发动机减速后温度可达1000摄氏度以上，高进气温度使得发动机材料强度变差、可靠性降低，同时从发动机工作原理上讲，高进气温度也会使得发动机性能变差，难以满足空天飞行器的推力需求。既然问题是高温，那么一种直接有效的办法就是将气流高温通过技术手段降低至发动机温度限制以下，使发动机能够在大气层内以吸气模式可靠高效工作，这种思路引出了可重复使用空天飞行器动力系统发展的重要方向之一——进气预冷。
2、强预冷发动机发展历程及现状
进气预冷概念的提出可以追溯到上世纪50年代Marquardt相关研究人员于提出的LACE（Liquefied Air Cycle Engine）方案，该方案以液氢作为发动机燃料，利用氢燃料比热容大、吸热量大的特点，在大气层内工作时发动机在前端预冷换热器中利用液氢燃料将来流气流高温大幅度降低至冷凝液化，而后进入发动机工作。这种方案理论上降低了氧化剂消耗及携带量，有效降低了发射成本，因此受到了各航空大国的重视并开展了大量研究，发展出了多种进气预冷动力方案。然而从上述介绍不难发现，进气预冷发动机的关键是在高马赫数工作时在极短时间内将大量高温气流实现大幅度温降，同时具有质量轻、体积小的特点，以降低对发动机整体性能带来的影响，而传统的预冷技术无法达到这一极强换热能力及轻质、紧凑的要求，如美国射流预冷MIPCC方案、日本ATREX方案及俄罗斯ATRDC方案等，都因其中进气预冷部分换热能力低、预冷的收益远低于重量增加带来的不利影响、冷却剂大量消耗以及其他技术难题而未能进入实际工程研制阶段，而近年来在进气预冷发动机领域最值得关注的是英国反应动力公司（Reaction Engines Limited，简称REL）的“云霄塔”空天飞机（SKYLON）的动力系统——“佩刀”协同式吸气火箭发动机（SynergeticAir-Breathing Rocket Engine，简称SABRE）相关技术进展。
“佩刀”发动机技术前身为上世纪八十年代中期英国开展的“霍托尔”（Horizontal Take-off and Landing，简称HOTOL）空天飞机计划。HOTOL空天飞机（如图1所示）是一种水平起降、可重复使用的单级入轨空天飞行器，设计起飞重量约250吨，有效载荷可达7吨。为满足水平起降、单级入轨等技术指标要求，HOTOL空天飞机的动力RB545发动机采用了进气预冷的吸气式发动机与火箭发动机组合的动力方式，在大气层内26km、飞行马赫数5以下以吸气方式工作，在马赫数5以上像传统火箭一样使用火箭发动机产生推进力。RB545发动机方案吸气式工作原理如图2所示，以液氢燃料作为冷却剂在主气流进入压气机压缩前进行预冷，经过压气机压缩后压力升高至火箭燃烧室压力要求，而后进入燃烧室与燃料掺混点燃产生推力，该方案发挥了进气预冷的优势，降低了发动机氧化剂需求，提升了动力系统的整体性能。
图1 HOTOL空天飞机及结构示意图
在当时看来该计划是一种极为先进的技术方案，也伴随着巨大的技术挑战，例如变几何进气道质量大、HOTOL飞行器结构重心变化导致的飞行不稳定问题、以及轻质、紧凑高效进气预冷换热器实现难度大等问题。由于上述严峻的技术挑战，外界对项目评估的结果非常不乐观，表示研究总经费巨大（1985年币值达50亿英镑），以及研发周期将达到20年，加之欧空局（ESA）批准开展阿丽亚娜5型运载火箭研制、英国国家航天中心放弃航天发射及载人航天研究转而专注于航天应用等政策背景，罗·罗公司、英国政府逐步放弃了对HOTOL计划的资金支持，至此HOTOL计划的发展前景愈发黯淡，但是HOTOL计划核心技术人员艾伦·邦德（Alan Bond）、约翰·斯科特（John Scott-Scott）及理查德·瓦尔维尔（Richard Varvill）三人认为该项技术仍具有广阔的技术前景并且已具有一定的技术基础，因此在1989年成立了英国REL公司，继续开展相关空天飞机及预冷发动机技术研究，并取名“云霄塔”（SKYLON）及“佩刀”（SABRE）。
图2 RB545发动机构型及简化工作原理示意图
“云霄塔”（如图3所示）是在HOTOL空天飞机基础上提出的可水平起降、重复使用单级入轨空天飞行器方案，最新方案起飞推力325吨，有效载荷可达15吨，占比4.6%，与火箭相比大幅提高了有效载荷比例，除此之外设计重复使用寿命可达200次，将空天运输单位酬载成本从18,000美元/公斤降至820美元/公斤，可实现空天运输的革命性突破。
图3 “云霄塔”飞行器示意图
“云霄塔”飞行器杰出性能的根源是其革命性的“佩刀”协同式吸气火箭发动机。“佩刀”发动机（如图4所示）具有两种工作模式，当飞行速度低于马赫数5.5、飞行高度小于26公里时，发动机处于吸气工作模式，利用其内部的进气预冷换热器对进口高温空气进行大幅度快速冷却，并将冷却后的空气作为助燃剂与氢燃料混合燃烧后产生推力；而在马赫数和高度更高条件下工作时，采用氢氧火箭发动机模式，以保证飞行器入轨。“佩刀”发动机吸气模式工作原理在RB545发动机工作原理基础上引入了氦介质内部闭式循环系统，预冷换热器内部的换热介质由氢变成了安全性更高的氦，保证了发动机高温部件的安全性，除此之外，在高温空气和液氢冷却剂直接构建热力循环系统，利用超临界氦具有可将高温气流中携带的大量热能高效转化为功，大幅度提高发动机性能，在马赫数5工作时比冲可达3600秒以上（火箭发动机比冲约400秒）。
图4 “佩刀”发动机构型及简化工作原理示意图
“佩刀”发动机作为一种全新形式的空天飞行器动力系统，具有许多全新技术特征的新部件/系统，这些新部件/系统中关键技术涉及气动热力学、加工制造、力学、材料工艺、叶轮机械等多学科领域，具有很大挑战性，因此自成立开始，英国REL公司就联合众多高校、科研单位及相关企业开展了大量关键技术研究及验证工作。由前述介绍可知，“佩刀”发动机方案的核心是发动机前端预冷换热器，该换热器需要具有超强的换热能力，且需要在高温超高压环境下持续可靠工作，这给换热器设计技术和加工检测技术都带来了严峻的挑战，因此，在英国REL成立后的20余年内，公司联合布里斯托大学等研究单位，在当时工业技术条件下提高预冷器的换热效率的同时并尽可能的实现轻质、紧凑、高可靠性，并最终实现了预冷器技术的革命性突破。
2012年11月，英国REL完成了预冷用紧凑快速强换热器的验证试验（如图5所示），成功实现了将大气中的常温空气无霜冷却到零下150摄氏度，并一共完成了超过300次试验验证，初步验证了预冷器的设计方法、制造技术和试验方法，试验结果表明该技术具备在0.05秒内将400公斤/秒量级的空气降温1100摄氏度的能力，并能够保持其单位重量的换热量达到100千瓦/公斤。在此基础上，英国REL于2019年3月搭建完成了预冷器高温试验验证平台（如图6所示），可提供超过1000摄氏度的进气来流，以模拟马赫数5飞行时预冷器进气高温条件，并已完成模拟来流马赫数3.3飞行时高温来流条件（420摄氏度）预冷器高温试验验证。
除此之外，在闭式循环系统中氦工质叶轮机技术方面，英国REL公司与冯卡门实验室、Quadratec Ltd公司合作开展了大量研究工作并完成了实验验证；在喷管及推力室技术方面，英国REL公司联合德国宇航中心（DLR）、Airborne发动机公司开展了关键技术实验验证工作；在“佩刀”发动机变几何进气道及旁路冲压发动机技术方面，英国REL与德国宇航中心（DLR）及DAYERN-CHEMIE公司合作开展了相关技术研究及部分实验验证。由此可见，“佩刀”发动机技术发展中多学科、多专业耦合的特征鲜明，联合高校、研究机构及相关企业共同研制可加速推动其技术发展。
图5 英国REL公司预冷器样机及常温试验平台
图6 预冷器高温试验平台及实验样机
除此之外，基于“佩刀”发动机方案优异的综合性能并且在相关关键技术已得到试验验证的基础上，英国REL公司近年来与全世界多个研究机构及公司就“佩刀”发动机技术在入轨飞行器及高超声速飞机等应用方面开展了多项合作计划。基于对“佩刀”发动机技术先进性及可行性的认同，英国BAE系统公司于2015年宣布提供“工业、技术和资本资源”，用于进行“佩刀”发动机原型机地面试验研究，并于2016年7月发布了基于“佩刀”发动机的水平起降高超声速快速响应飞行器概念及作战设想（如图7所示）；同时，在欧盟远期先进推进概念和技术计划（Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies，简称LAPCAT）中，基于强预冷技术衍生出的适用于高超声速巡航的“弯刀”（SCIMITAR）发动机方案，英国REL公司提出了马赫数5巡航的高超声速民用飞机方案（如图8所示）；除此之外，2015年美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，简称AFRL）开展了针对“佩刀”发动机关键技术的性能评估工作，结果表明“佩刀”发动机先进可行、在工程实现上不存在重大技术障碍；在此基础上与英国REL签订合作研究发展协议，就“佩刀”发动机在太空发动机飞行器、高超声速飞机及军事领域的应用开展相关合作，并于2016年9月AFRL发布了两套基于“佩刀”发动机的水平起降两级入轨飞行器概念方案（如图9所示），并已经将基于“佩刀”发动机技术的高超声速空天飞行器方案列入美国水平起降重复使用空天飞行器重要技术路线之一，以便加速自身高超声速飞行器技术和装备发展。
图7 英国BAE水平起降高超声速快速响应飞行器概念
图8 LAPCAT计划中高超声速民用飞机A2方案
图9 AFRL基于“佩刀”发动机的双级入轨飞行器方案
鉴于“佩刀”发动机乐观的技术进展以及巨大的应用价值，英国政府、欧盟及航空航天企业给予了高度重视并不断加大对英国REL公司的投资力度。英国政府于2013年7月为该项目2014～2016年的研究投资6000万英镑，并计划在2020年前再投入若干倍资金；截止2015年8月，欧盟已先后为该项目投资5800万英镑，并已将“佩刀”发动机关键技术作为高超声速飞机推进技术的研究重点之一，列入欧盟LAPCAT计划，在第六框架和第七框架计划中给予重点支持；2015年12月，英国BAE系统公司投资约2100万英镑收购英国REL公司20%股份，以资助其关键技术的发展；2017年9月，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）授予英国REL美国分公司REI一份科研合同并要求在美国进行预冷器高温试验；2018年4月，美国波音公司及英国罗·罗公司成为REL公司的新投资商，联合BAE公司共计投资2650万英镑（约3750万美元）用以资助“佩刀”发动机项目的发展，以发展下一代高超声速飞行技术及空天运输飞行器。
在“佩刀”发动机各项核心技术取得了上述关键性突破且获得大量资金支持的基础上，英国REL公司未来计划于2020年开展发动机缩比验证核心机地面试验验证，主要验证发动机低油耗及可操作性等性能，并于2022年开始“佩刀”发动机地面集成试验验证；在此基础上，英国REL公司计划2025年完成发动机飞行试验验证，并于2030年实现发动机工程应用，其公布的发展计划如图10所示。
图10 英国REL公司“佩刀”发动机未来发展计划
英国REL通过多年来的技术发展及近年来标志性的关键技术突破，使得历经周折的强预冷发动机技术终于获得全世界空天领域的瞩目，并被业内人士认为是发动机领域的颠覆性技术，是“喷气推进发明以来的第二次革命”。欧空局（ESA）也对此项目信心十足，认为验证机研究必将成功，并且坚信该技术将是全球推进领域的一项重要里程碑。英国大学与科学部长David Willetts评价称“这项技术会彻底改变未来的空中和太空旅行”，同时英国航天领域人士认为，这项技术约在十年左右就可最终在工程上实现。除此之外，AFRL认为“佩刀”发动机是一项十分有吸引力的技术，并有希望领先于其它动力方案更早的在水平起降重复使用空天飞行器上投入使用。
3、小结与启示
从上述介绍可以看出，高超声速强预冷发动机利用空气中氧气作为氧化剂，有效降低了对自身携带氧化剂的需求，利用强预冷技术大幅降低高超声速飞行时发动机进口来流空气滞止高温，同时采用闭式循环系统实现了对来流空气热量的高效利用，从而在宽广速域工作范围内具有高可靠性、高比冲、低成本等优势，并能够在零马赫数起动。
高超声速强预冷发动机可作为可水平起降、可重复使用单级/两级入轨空天飞行器动力系统以有效降低酬载成本，还可作为可水平起降、可重复使用高超声速飞机动力系统以实现从零马赫数起动以及马赫数0～6范围内高性能，是可水平起降、可重复使用空天飞行器的一种理想动力方案，是空天技术领域非常重要的研究发展趋势。
同时，近年来国外在该技术领域取得的进展迅速，已完成了大量关键技术攻关，技术成熟度不断提高，并且受到了世界各航空航天机构的广泛认可，这表明该技术无“卡脖子”的难题，高超声速强预冷发动机技术原理先进且技术可行。
值得关注的是，高超声速强预冷发动机中新理论及关键技术多，是一种科学、技术与工程高度融合的先进动力系统，具有鲜明的多学科交叉、多技术领域耦合的特征，从英国“佩刀”发动机发展历程可以看出，紧密联合高校、研究机构及相关技术企业开展关键技术攻关，实现产、学、研、用的紧密结合，优势互补，可加速推进高超声速强预冷发动机技术发展。
背景简介：本文作者邹正平，博士，北京航空航天大学长聘教授，博士生导师，主要从事吸气式高超声速动力系统及叶轮机气体动力学相关研究。文章2019年8月1日、2日分两期刊发在《科普时报》，风云之声获授权转载。
责任编辑：孙远