英國“云霄塔”空天飛機的最新進展

康開華（北京航天長征科技信息研究所）

“云霄塔”（SKYLON）是一種類似于航空飛機的空天飛機，它可從跑道上起飛、入軌，在返回再入大氣層之前執行如發射衛星、向空間站運送成員或供應品等任務，采用滑翔返回并著陸于傳統跑道上。不同于當前的天地往返系統，“云霄塔”能完全重復使用，可執行操作飛行任務達200次。

2014年6月，英國再次披露“云霄塔”方案，并將其列入國家空間技術規劃，預計在未來5年內將興建一個新的航天發射場，主要用于空天飛機的起飛和降落。

1 總體描述

“云霄塔”的研制已超過20年，當前完成設計的構型為C1型?！霸葡鏊庇杉氶L機身（包含推進劑貯箱和有效載荷艙）、前置翼面、沿機身大約位于中部的一對三角翼和尾翼組成。發動機安裝在翼尖上的弧形軸對稱發動機艙內。大氣層內飛行時，“云霄塔”的俯仰控制由前置翼面來實現，滾轉操作由副翼實現，其后部安裝的全動尾翼執行偏航操作。

“云霄塔”由“佩刀”（SABRE）發動機提供動力。該發動機具備2種工作模式—吸氣模式和純火箭模式。利用工作在吸氣模式下的“佩刀”發動機，“云霄塔”能夠從跑道上起飛，并使其到達距地面高度26km時的速度Ma達到5。隨后，“佩刀”發動機轉換到純火箭發動機工作模式，“云霄塔”急劇爬升沖出大氣層以將阻力造成的損失降至最低。

與傳統的一次性使用運載火箭相比，“云霄塔”在降低進入空間的成本、提高可靠性和效率等方面均提供了大幅度的改進。

2 研制歷程

“云霄塔”項目可追溯至20世紀80年代英國開展研制的“霍托”（HOTOL）空天飛機研制計劃，該計劃生成了10個基本方案，A～J型，“云霄塔”項目研制產生了3個基本方案，A～C型。

“霍托”研究計劃

20世紀80年代初，針對多種重復使用運載器（RLV）方案，英國宇航公司（BAe）開展了背景研究，目標是研制出低成本、高可靠性、高利用率運載器的最佳設計。最初在英國政府的支持下，羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司和英國宇航公司共同投資，合作開展“霍托”空天飛機及其使用的組合循環發動機RB545的研制。

云霄塔－C1基本數據及其運載能力

云霄塔－C1布局

“霍托”和“云霄塔”系統研究路線

“霍托”起初的起飛總質量設計為200t，近地軌道（LEO）運載能力為7t。當時的市場分析顯示：“霍托”能夠占領隨后85%的發射市場份額。為實現這一目標，研究團隊不斷對運載器構型進行改進，并將“霍托”起飛總質量提升至275t。

當研究團隊確定“霍托”利用組合循環發動機完成單級入軌在技術上是完全可行時，也認識到其構型存在平衡問題，采用傳統的半硬殼式結構必須依靠國外材料，然而，正當研究團隊著手解決這一問題時，英國政府拒絕再為其投資，導致“霍托”計劃被迫終止。

“云霄塔”研制項目

20世紀90年代初，“霍托”計劃發起者和RB545發動機發明人一同成立了反應發動機有限公司（REL），繼續“霍托”的系統改進研究。反應發動機有限公司采用創新的方法設計系統，以解決“霍托”突出的技術問題。新設計的運載器命名為“云霄塔”。與“霍托”相比，“云霄塔”的主要變化有：

1）通過將發動機置于翼尖，使得空天飛機的質心和重心重合于有效載荷艙，將機翼移至其中部，同時將推進劑貯箱一分為二，前后設置。這些解決了“霍托”由于平衡而產生的控制問題；

2）研制帶有氦氣環路的組合循環發動機，提升性能并使發動機更加堅固，該新型發動機命名為“佩刀”發動機；

3）使用帶有低壓恢復的簡單軸對稱進氣道，以便降低發動機艙內氣壓，減少其結構質量；

4）使用復合材料桁架結構和非結構性推進劑貯箱，降低了結構質量，但需要進口國外的材料；

5）起飛時起落架使用水冷卻剎車。

“云霄塔”的設計過程使用了與“霍托”相同的原理，以275t的總起飛質量為開始，最終還將有效載荷的運載能力提升至12t。

20世紀90年代確定了“云霄塔”的構型為C1，隨后反應發動機有限公司凍結了構型研究，轉而將工作的重點放到技術研制、試驗驗證和總體方案驗證。

“云霄塔”從C1構型發展到D1構型

自20世紀90年代確定云霄塔－C1構型以來，航天技術發生了很大變化，機身與“佩刀”發動機的理論和試驗研究顯著提升了空天飛機的性能，因而需要對其進行技術改進。此外，另一個變化是有效載荷的變化。較早設計的云霄塔－C1型近地軌道的運載能力為12t，在20世紀90年代看來性能是相當高的。但在2008年反應發動機有限公司進行的市場分析顯示：隨著通信衛星質量的不斷增加，“云霄塔”在航天發射市場所能執行的發射任務在不斷萎縮，如無法執行將質量達8t的“阿爾法平臺”（Alphabus）送入地球同步轉移軌道（GTO），這相當于將15t的有效載荷送入近地軌道，或是將10t的有效載荷送入“國際空間站”（ISS）運行的軌道。因而反應發動機公司決定增加“云霄塔”系統的性能余量，將其近地軌道的運載能力提升至15t，運載器的起飛質量設定為325t，該起飛總質量作為云霄塔－D1研制的起點。

除關于有效載荷若干規定的改變以外，D1型的技術要求與C1型的技術要求完全一致，而運載能力的提升主要是通過改進“佩刀”發動機來實現。C1型使用佩刀－2發動機。該發動機已經改進為佩刀－3發動機，吸取了多個發動機技術研發項目的成果。然而，近年來對“佩刀”發動機循環進行了徹底的改進，改進后的發動機稱為佩刀－4。該新型發動機提升了工作在吸氣模式下發動機的等效比，顯著地降低了液氫的消耗量，其優異的吸氣性能使得運載器入軌傾角范圍更大，性能損失更少。目前佩刀－4發動機的細節屬于商業機密，尚無法得到發動機循環的詳細描述，但可以肯定，該發動機將用作云霄塔－D1發動機的基礎。

“佩刀”發動機內部結構

3 系統組成

“云霄塔”系統由機體和任務執行組成，其目標是：①“云霄塔”系統將實現特有的近地軌道發射成本1000美元/kg（2004年幣值）；②“云霄塔”系統執行任務的失敗率低于0.1%，有效載荷的損失率低于0.01%；③“云霄塔”系統從接收到明確的發射指令到執行該任務的時間段少于5天。這些目標將作為驗證系統組成各部分是否成功的基礎。

機體

（1）機身

“云霄塔”機身由多層結構制成，包括氣動外殼、隔熱系統、結構和貯箱。為了將研制成本和風險降至最低，采用現有的或近期可獲得的材料技術，并利用先進的制造技術和新穎的結構方案來實現輕質設計?！霸葡鏊钡囊豁椫匾镄戮褪鞘褂昧朔怯矚な浇Y構，承載主要載荷的結構是一個桁架結構，該桁架結構由碳纖維增強復合材料制成。鋁制推進劑貯箱通過凱夫拉爾帶懸掛于該結構內。氣動外殼外部采用了耐高溫的碳化硅纖維增強玻璃陶瓷材料。

（2）機翼

機翼的結構設計基于飛機使用的方法。翼梁（可能使用復合材料制造）作為主承載結構穿過機翼，每根翼梁將貫穿整個翼展。翼梁的間隔使得足以收回起落架，而不影響結構的完整性。機翼的氣動外殼與機身相同，翼前緣計劃采用碳-碳材料，利用鉚接的方法將蒙皮固定到機翼結構上。通過細銷接頭處理縱向熱膨脹，通過肋狀構架處理橫向的熱膨脹。相對于整個機翼，副翼的尺寸非常重要，其結構采用懸臂熱結構。這扇類型的翼肋和翼梁結構與當前通常采用的技術途徑相比更輕，并易于實現。

（3）“佩刀”發動機方案

“云霄塔”的成功關鍵取決于能否成功研制出“佩刀”發動機。該發動機設計既可操作在吸氣模式下（利用大氣中的氧氣和運載器攜帶的液氫），又能工作在火箭發動機模式下（利用運載器自身攜帶的液氫和液氧）。特別是，“佩刀”發動機工作在吸氣模式下能夠提供較高的推重比，并且燃燒的消耗量適度。同時，在發動機工作模式變換時又能轉換為一臺高性能火箭發動機。由于“佩刀”發動機工作在吸氣模式下時基于渦輪基循環，因此發動機能夠產生靜推力（不同于沖壓噴氣發動機），并且發動機的研制可在戶外的試驗設施中進行。“佩刀”發動機最基本的特征是吸氣發動機與火箭發動機的高度集成，并且將重復使用的設備降至最少。

“佩刀”發動機關鍵操作參數

在2種操作模式下，發動機使用類似火箭發動機的高壓燃燒室，并且在吸氣模式下，利用高壓力比的空氣壓縮機將吸入氣體壓縮至高壓。通過2種推進模式下采用同一套火箭燃燒室、噴管和渦輪泵，避免了因增加獨立的吸氣式發動機而導致的質量增加，同時吸氣發動機在上升段飛行工作期間，消除了不工作的火箭發動機的底部產生的阻力。

與其他吸氣式方案相比，盡管“佩刀”發動機的比沖相對較低，但其擁有更高的推重比。與火箭推進模式相比，“佩刀”發動機的推重比優勢更加明顯。此外，該發動機還具有一個顯著的優勢，即它能夠操作在Ma為0～6的范圍，這確保了可在地面利用基礎設施進行試驗，而無需利用昂貴的大型風洞或飛行試驗設備。

“佩刀”發動機與其他推進系統相比較

任務

“云霄塔”的任務執行始于總裝廠房內安裝有效載荷的操作。隨后，該空天飛機將被牽引至燃料加注坪，加注液氫、液氧和氦氣。一旦“云霄塔”完成推進劑的加注和加電操作，將牽引至跑道。

“云霄塔”在靜止條件下，發動機采用吸氣模式點火操作，燃燒液氫燃料和預先冷卻的壓縮空氣。當標稱的性能得到驗證后，釋放剎車，“云霄塔”以類似于高性能噴氣飛機的模式開始從跑道上滑跑起飛。

起飛后，“云霄塔”爬升并加速到達其預先確定的軌跡，持續飛行約11.5min到達高度26km，速度Ma達到5.1。此時“云霄塔”下靶場距發射場620km，推進系統轉換到純火箭動力系統，在同一個燃燒室內燃燒液氫和液氫。在這個轉換期間，“云霄塔”執行優化操作以達到最大性能。在火箭動力下，“云霄塔”迅速爬升，經4.75min后，主發動機關機，“云霄塔”到達距離地面80km高度處。

“云霄塔”的上升段和下降段軌跡

組裝臺上的熱交換器模塊

隨后，“云霄塔”釋放主推進劑貯箱內的殘余推進劑，繼續沿著彈道軌跡飛行44min，到達300km高度的遠地點。此時，“云霄塔”的軌道機動推進系統點火工作，使其飛行在一個近圓軌道上。執行完例行的檢查操作后，“云霄塔”打開有效載荷艙門，部署有效載荷，而后有效載荷獨立執行任務。

至此，“云霄塔”準備返回基地。有效載荷艙門關閉后，軌道機動系統（OMS）發動機點火執行制動燃燒操作，以便實現合適的再入速度向量。通過預先計算的軌跡，該機動操作使“云霄塔”返回發射場（或任何其他制定的著陸場）。通過一系列S形轉彎（與航天飛機相同的方式），“云霄塔”利用能量管理實現無動力滑翔下降返回操作。

4 最新進展

技術驗證

“云霄塔”項目的技術驗證主要圍繞“佩刀”發動機和機身2個方面展開，重點是開展“佩刀”發動機技術的演示驗證項目。

（1）第一階段

2009年，反應發動機公司獲得歐洲航天局（ESA）和私企的聯合投資，開始發動機技術驗證項目第一階段的工作。該階段的工作主要有3個方面：氧化劑冷卻燃燒室、補償噴管和熱交換器模塊的制造。

由于“佩刀”發動機使用液氫推進劑冷卻進入空氣，并且液氫不能用作發動機燃燒室的冷卻劑，因此氧化劑（空氣或液氧）必須執行冷卻燃燒室的任務。為研究冷卻方法，歐洲航空航天防務公司（現已更名為空客防務與航天公司）和德國航天局進行了詳細的研究，測試了2種試驗燃燒室，第一種研究使用液氧冷卻工作在火箭模式下的“佩刀”發動機，第二種研究采用空氣和液氫組合氣膜冷卻工作在吸氣模式下的“佩刀”發動機。2010年成功地完成上述研究工作。

補償噴管技術驗證項目建立在2009年初完成的膨脹偏轉噴管靜態試驗項目（STERN）。該項目由反應發動機有限公司獨自提供資金支持，布里斯托爾大學作為合作伙伴，已經完成超過20次的點火試驗。試驗結果證實了這種類型噴管中氣流的復雜性，并使反應發動機有限公司對噴管的特性有了獨有的認識。

第一階段的主要工作集中在驗證預冷器熱交換器模塊，這些模塊是“佩刀”發動機預冷器的基礎。在阿賓頓（Abingdon）對原始的管材進行檢驗、機加工以減少壁厚，加工成需要的外形，隨后與管座集成形成完整的模塊。

（2）第二階段

2011年，在完成技術驗證項目第一階段工作的同時，技術驗證項目的第二階段也正式開始了。第二階段的關鍵目標是驗證完整的預冷器熱交換器，其次是開始研究進氣道的氣動力學。

試驗預冷器的設計模型

為驗證預冷器各模塊的功能，將第一階段中制造的21個模塊組裝成1個完整的熱交換器，并在反應發動機有限公司進行試驗。熱交換器的試驗還包括防凍技術，該技術是一項成熟技術，已在2002－2004年間開展的驗證項目得到檢驗。預冷器試驗裝置利用1臺經改進的“蝰蛇”噴氣發動機，抽吸空氣穿過預冷器。在預冷器中，利用氦環路中的液氧對空氣進行冷卻。

發動機艙中的可切換進氣道是確?？刂瓶諝饬魅搿芭宓丁卑l動機的關鍵。唇口處的激波設計由進氣道圓錐體的移動控制，阻止在超聲速時空氣溢出增加阻力。作為第二階段研究的一部分，進氣道的操作將經歷一系列風洞試驗，以驗證進氣道的理論模型。試驗將在Ma分別為3和5的情況下進行。

（3）第三階段

第三階段的主要目標是制造“佩刀”的Block-1型發動機，該型發動機設計用于在2016年完成的“云霄塔”的驗證機上。該階段的驗證工作包括開展靜態驗證發動機（SCEPTRE）和發動機艙試驗飛行器（NTV）研制。

第三階段研制工作的重點是靜態驗證發動機，它具有“佩刀”發動機典型的基本循環，將有效地驗證“佩刀”發動機的原理，但該發動機在尺寸上與“佩刀”有較大差異。靜態驗證發動機使用液氫作為燃料，并安裝有飛行使用的典型預冷器和再生熱交換器。發動機的氣體組件僅選用具有典型功能的組件。該項目還將驗證吸氣與火箭模式間的轉換。

發動機艙試驗飛行器是一架一次性使用火箭動力飛行器，其飛行速度Ma約為4.5，飛行器長約9m、翼展2.5m。該飛行器用來降低研制風險，驗證進氣道的操作，更重要的是它將驗證進氣道的性能控制。飛行器有2個可切換進氣道的發動機艙、一個內部空氣管理系統和典型的沖壓噴氣發動機燃燒室，以便驗證全部的發動機艙系統。

第一階段中開展的技術驗證工作提升了“佩刀”發動機的性能，推動了研制改進型發動機佩刀－4的進程。佩刀－4采用了新的循環方式，提升了吸氣模式下工作的等效比，顯著降低了液氫的消耗量。針對該發動機開展的初步研究工作目前已經開始，并且第三階段將繼續設計工作，完成Block-1型發動機的制造圖紙為關鍵設計評審做準備。佩刀－4型發動機還需要新的技術途徑來提升發動機技術準備水平。

系統評審

2010年9月，英國航天局（UKSA）組織國際專家對“云霄塔”計劃進行評審。將近100名企業家、學術界的專家、國際航天機構的主管齊聚英格蘭的哈維爾（Harwell），包括歐洲航天局（ESA）、美國航空航天局（NASA）、俄羅斯聯邦航天局（RKA）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的代表。

歐洲航天局對“云霄塔”和“佩刀”發動機分別進行了評審。對于前者，歐洲航天局認為反應發動機有限公司的總體方案和結構設計工作證明是可行的，飛行彈道環境對于運載器的影響不大。通過復雜的計算機輔助設計（CAD）建模和縮比風洞試驗能夠使方案快速成熟。對于后者的評估顯示：尚未確定任何關鍵項目將會阻礙發動機的未來研制，同時還對“佩刀”發動機循環和發動機組件，以及霧控裝置進行了評估。歐洲航天局的總體觀點是：如果發動機研制項目按計劃完成，那么利用現有技術的“云霄塔”是可能實現的。

發動機艙試驗飛行器早期方案設計

美國航空航天局認為，“云霄塔”計劃在技術上是可行的，但由于其性能余量較小，將有可能在研制期間導致一系列的問題。反應發動機有限公司完全接受上述觀點，對當前的云霄塔－D1和佩刀－4研發項目充滿信心，相信能夠解決評審中所提出的全部問題。

試驗

2012年7月英國媒體報道，反應發動機有限公司成功地完成了“佩刀”發動機關鍵組件的第二輪試驗。反應發動機有限公司獨創的預冷器技術與噴氣發動機和新穎的氦氣冷卻環路集成，是驗證“佩刀”發動機中最關鍵的新技術?？諝忸A冷器是“佩刀”發動機采用的獨創技術，設計用來在0.01s內將連續的進入氣流從1000℃以上冷卻至－150℃。通過第二輪試驗，反應發動機有限公司檢驗了“佩刀”發動機預冷器組件的以下特征：①氣動穩定性和均勻性；②結構完整性；③大范圍超出飛行包線的振動自由度；④初步的低溫冷卻。

反應發動機有限公司后續還將進行“佩刀”發動機關鍵組件的第三輪試驗，預冷器將工作在-150℃的溫度環境下。

此外，“云霄塔”計劃還將于2018年開始執行為期2年的試飛項目，該項目將利用2臺樣機進行約400次的飛行試驗，以全面驗證機身200次的飛行壽命、所有操作的功能要求、所有終止模式和全部系統的可靠性。

5 結束語

研制出快速響應、高可靠、低成本的單級入軌、完全重復使用運載器一直是航天運載器的發展方向和追求目標，世界各國均投入大量資源開展重復使用運載器的研究或研制工作。英國的“云霄塔”項目經過20多年的潛心研究，已攻克多項關鍵技術，為其計劃于2020年投入商業運營打下了堅實基礎。

“云霄塔”不僅能夠廉價、可靠、高效率地將有效載荷送入軌道，還能滿足日益增長的商業發射需求，并且還可作為遠程快速武器投送平臺，機動靈活、快速高效地執行各種軍事任務。一旦研制成功，無疑會產生巨大的經濟效益和軍事價值，應用前景十分廣闊。

但同時也應看到，重復使用運載器的研制具有極大的風險，半個多世紀的發展歷程表明，一味追求技術的先進性可能導致研究計劃的夭折。“云霄塔”技術復雜，研制受資金、技術、試驗條件、國家政策等多種因素的制約，其能否成功研制還有待于開展的各項地面與飛行試驗的證明。