“佩刀”為天地往返提供新動力

“佩刀”為天地往返提供新動力

最近，美國空軍研究實驗室（AFRL）完成了對英國反應發動機公司（REL）的“協同吸氣式火箭發動機”（SABRE，簡稱“佩刀”）技術可行性的評估。美國空軍研究實驗室認為，“佩刀”是一項有吸引力的技術，它在技術上可行，并可能會在兩級入軌火箭或國防應用中更早地應用。美國空軍研究實驗室的評估并不包括建造反應發動機公司的“云霄塔”（Skylon）空天飛機將需要多少投資。該實驗室項目經理巴里·赫爾曼表示，分析已證實了“佩刀”發動機循環的可行性和潛在性能。赫爾曼稱，接下來要回答的問題是,與其他推進系統相比,“佩刀”可為高速空天飛行器帶來哪些優勢?

早在2014年1月，美國空軍研究實驗室就與英國反應發動機公司簽署了“合作研究與發展協議”（CRADA）。當時，該實驗室就分析檢驗了“佩刀”概念的熱力循環，認為該發動機部件和集成所涉及的理論可行性不存在顯著障礙。這次美國空軍研究實驗室正式公布了對“佩刀”的評估結果，從而表示美國空軍將進一步擴大與英國反應發動機公司的合作，也表示美國空軍在繼續發展超燃沖壓發動機之外，對于高超聲速飛行器的發動機有了新的選擇。

“佩刀”發動機的誕生可以追溯到20世紀80年代中期。那時許多國家，為了降低天地往返運輸的費用，紛紛提出了多種可以水平起降的空天飛機方案，其中最著名的是英國采用預冷式吸氣火箭的“霍托爾”(HOTOL)、美國采用超燃沖壓發動機的“東方快車”國家空天飛機（NASP）和德國采用渦輪沖壓發動機的“桑格爾”(SANGER)。在這些方案中，最關鍵的是其動力系統各不相同。到了20世紀90年代，這3個國家的空天飛機相繼下馬，但英國曾參與“霍托爾”研制的3名主力艾倫·邦德（Alan Bond）、理查德·瓦威爾（Richard Varvill）和約翰·斯科特（John Scott）仍然堅持前行，并于1989年成立了英國反應發動機公司，自籌資金，低調實施“云霄塔”空天飛機計劃。“云霄塔”的設計目標是每次運行的費用為1000萬美元。“云霄塔”繼承了“霍托爾”已取得的成果，但在機體結構和發動機等方面，進行了大量的技術創新，特別是在發展“佩刀”發動機方面，取得了重大進展。

“佩刀”發動機具有兩種工作模式。在火箭模式下，發動機以閉循環液氧/液氫高比沖火箭發動機工作；在吸氣模式下(從起飛階段到馬赫數大于5)，液氧氣流被大氣中空氣所代替，使發動機比沖增加了3～6倍。此時，空氣流被吸入發動機，并在壓縮之前被冷卻至很低的溫度。氫燃料在進入燃燒室之前作為閉循環氦回路的冷卻劑，而冷卻的氦氣則用于冷卻空氣。這種發動機比起液化空氣循環發動機（LACE）來，并沒有將空氣冷卻成液體，從而可節省能量。“佩刀”發動機的關鍵組成部分是預冷熱交換系統，該系統能冷卻從進氣口吸入的空氣。熱交換系統由許多螺旋形纏繞的細小管道組成，空氣通過熱交換器時被管中流動的氦氣冷卻。反應發動機公司為此攻克了兩項關鍵技術，其一是制造技術，他們采用了鉻鎳鐵718合金管，孔徑為0.98mm，厚度為40μm，它能確保良好的熱交換性能而沒有物理強度的降低。這種管道曾在20MPa、720℃被氧化1800h狀態下，成功地通過了蠕變考核試驗。其二是霜凍堵塞的控制技術。在0℃以下時，空氣中的水蒸氣，將在數秒內凝結并阻塞氣流。“佩刀”發動機經過在一個專門建造的地面試驗臺上完成的100多次試驗，證明它能在0.01s內將氣流從1000℃冷卻到-150℃，不會造成霜凍堵塞。

目前，英國反應發動機公司的研究工作已得到了歐洲航天局（ESA）和英國政府的支持。英國政府在2013年同意向反應發動機公司投資9000萬美元，作為種子基金，以支持其將在2017年建造的一臺原型發動機。對于這次美國空軍研究實驗室公布的評估結果，英國反應發動機公司宣布，對于10多年來一直在為其技術尋求支持的公司而言，美國空軍研究實驗室的評估結果是一個好消息。英國反應發動機公司和美國空軍研究實驗室計劃進一步聯合開展“佩刀”的研制工作，包括測試“佩刀”發動機組件，以及為反應發動機公司的熱交換技術探索國防應用。

根據英國反應發動機公司的計劃，“佩刀”發動機將在2019年進行首次飛行試驗。到時安裝這種發動機的飛行器還不是其設想中的單級入軌的“云霄塔”空天飛機，而是一種飛行馬赫數約為5的試驗飛行器，這個速度的飛行器，可以用作客機，也可以發展成為兩級入軌空天飛機的載機。當然，這家公司不會放棄研制“云霄塔”的長遠目標。目前，“佩刀”發動機雖然在技術上已經取得較大突破，但要成功進行飛行試驗，仍然還要攻克和飛行器進行匹配等諸多難關。

英國人在研制“佩刀”發動機方面取得重大進展的事實告訴我們，一項創新的設想若要成功，一是貴在堅持，二是要能夠爭取到政府、業界和民眾等各方面的支持。

黃志澄/文

使用“佩刀”發動機的“云霄塔”空天飛機示意圖

Sabre: New Power for Space Shuttles

黃志澄：空氣動力學家、航天技術專家、技術評論家。長期從事空氣動力學、航天發展戰略研究，為我國大型試驗基地建設、載人航天方案論證、新型航天器研制做出了貢獻。近十年來從事科學、技術與社會等宏觀科學領域研究，在國內外有較大影響。