【特邀专栏】志澄观察：“佩刀”为高超声速提供新动力

特邀撰稿人：黄志澄作者简介黄志澄，空气动力学家、航天技术专家、技术评论家。长期从事空气动力学、航天发展战略...

特邀撰稿人：黄志澄

作者简介

黄志澄，空气动力学家、航天技术专家、技术评论家。长期从事空气动力学、航天发展战略研究，为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了突出贡献。近十年来从事科学、技术与社会(STS)等宏观科学领域研究，所取得的成就在国内外有较大影响。

根据美国航天新闻网2015年4月17日报道，美空军研究实验室（AFRL）近期完成了对英国反应发动机公司（REL）的“协同吸气式火箭发动机”（SABRE，简称“佩刀”）技术可行性的评估。AFRL认为，SABRE是一个有吸引力的技术，它在技术上可行，并可能会在两级入轨火箭或国防应用中更早地应用。AFRL的评估并不包括建造反应发动机公司的“云霄塔（Skylon）”空天飞机将需要多少投资。AFRL项目经理巴里•赫尔曼表示，分析已证实了SABRE发动机循环的可行性和潜在性能。赫尔曼称，接下来要回答的问题是,与其它推进系统相比,SABRE可为高速空天飞行器带来哪些优势。

早在2014年1月，AFRL就与英国反应发动机公司签署的“合作研究与发展协议（CRADA）。当时，AFRL就分析检验了SABRE概念的热力循环，认为该发动机部件和集成所涉及的理论可行性不存在显著障碍。这次AFRL正式公布对SABRE的评估结果，表示美国空军将进一步扩大与英国反应发动机公司的合作，也表示美国空军在继续发展超燃冲压发动机之外，对于高超声速飞行器的发动机，有了新的选择。

SABRE发动机的诞生可以追溯到上世纪80年中期。那时许多国家提出了多种空天飞机的方案，其中最著名的是英国采用预冷式吸气火箭的“霍托尔(HOTOL)”、美国采用超燃冲压时机的“东方快车（NASP）”和德国采用涡轮冲压发动机的“桑格尔”。到了90年代，这三国的空天飞机相继下马，但英国曾参与“霍托尔”研制的三名主力，仍然坚持前行，于1989年成立了英国反应发动机公司，并自筹资金，低调实施“云霄塔”空天飞机计划。“云霄塔”继承了“霍托尔”已取得的成果，但在机体结构和发动机等方面，进行了大量的技术创新，特别是在发展SABRE发动机方面，取得了重大进展。

SABRE发动机具有两种工作模式。在火箭模式下,发动机以闭循环液氧/液氢高比冲火箭发动机工作；在吸气模式下(从起飞阶段到马赫数大于5),液氧气流被大气中空气所代替,使发动机比冲增加了3-6倍。此时，空气流被吸入发动机,并在压缩之前被冷却至很低的温度。氢燃料在进入燃烧室之前作为闭循环氦回路的冷却剂。SABRE发动机的关键组成部分是预冷热交换系统，该系统能冷却进气口吸入的空气。热交换系统包含了一系列螺旋形缠绕的模块，空气通过热交换器时被管中流动的氦气冷却。反应发动机公司为此攻克了两个关键技术，其一是制造技术，他们采用了铬镍铁718合金管，孔径为0.88mm,厚度为40mm,它能确保良好的热交换性能而没有物理强度的降低。这种管道在20MPa、720℃被氧化1800h状态下，成功通过了蠕变试验。其二是霜冻堵塞的控制技术。在0℃以下时，空气中的水蒸气，将在数秒内凝结并阻塞气流。SABRE发动机经过在一个专门建造的低温风洞中完成的100多次试验，证明它能在百分之一秒内将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度，不会造成霜冻堵塞。

目前，反应发动机公司的研究工作已得到了欧空局（ESA）和英国政府的支持。英国政府在2013年同意向反应发动机公司投资9000万美元，作为种子基金，以支持其将在2017年建造的一个原型发动机。对于这次AFRRL公布的评估结果，反应发动机公司宣布，对于十多年来一直在为其技术寻求支持的公司而言，AFRL的评估结果是一个好消息。公司和AFRL计划进一步联合开展SABRE工作,包括测试SABRE发动机组件以及为反应发动机公司的热交换技术，探索国防应用。

事实上，在上世纪80年代，英国宣布“霍托尔”计划后，我国以任新民院士为首的火箭发动机专家，就研究分析了这种预冷吸气式火箭发动机，并充分肯定了其可行性。1995至1996年，我也曾应邀参加了由任总主持的火箭发动机讨论班，进一步分析了这种发动机的关键技术，肯定了这种发动机的潜力。

英国人在SABRE发动机方面取得的功告诉我们，一项创新的设想若要成功，一是贵在坚持，二是要创造有利于民营航天创新企业成长的环境。

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