男儿何不带吴钩——浅谈“佩刀”计划（20161202期）

男儿何不带吴钩，收取关山五十州。x0a请君暂上凌烟阁，若个书生万户侯？x0a“佩刀”发动机以液氢为燃料，分为两种飞行模式：在大气层内飞行时以空气为氧化剂，在大气层外采用液氧为氧化剂，相较现有技术推重比和效率大幅提高。...





点击「箭头所指处」可快速关注

微信号：NewStrInfo

字数：3535   阅读时间：15分钟

——公元813年《南园十三首 其五》李贺

“高边疆”号继续爬高，航空发动机发出吃力的隆隆声，像在艰难地攀登一座高峰，但掉高度的现象没有发生，空天飞机正在接近三万米，这是航空飞行的极限。章北海看到，外面蓝天的色彩正在褪去，天空黑下来，但太阳却更加耀眼了。

——危机8年 《三体II 黑暗森林》 刘慈欣

在科幻小说《三体》中，人类发明了空天飞机以建设太阳系防御系统来抵抗异族入侵，空天飞机在大气层内外采用不同的动力模式，极大地提高了进入空间的能力。而近些年，航天工程师们发明的“协同吸气式火箭发动机”（Synergistic Air-Breathing Rocket Engine，SABRE，简称“佩刀”）则有可能将科幻变为现实，实现运载器水平起降、可重复使用，甚至是单级入轨，帮助人类横刀立马，奔向茫茫星海。

“佩刀”发动机以液氢为燃料，分为两种飞行模式：在大气层内飞行时以空气为氧化剂，通过先进的热交换系统降低来流空气温度，保证Ma 2时推重比为9～14；Ma 5时推重比为6；在大气层外采用液氧为氧化剂，整个包线飞行Ma数从0直到20以上，相较现有技术推重比和效率大幅提高。而作为一项革命性的先驱技术，其发展也历经坎坷。1.前世

20世纪80年中期，互联网及其衍生产业混沌未分的黎明之前，人类已经实现了载人登月，“天空实验室”和“礼炮”号空间站早已发射成功，航天飞机也投入使用。作为老牌工业强国和发明往复蒸汽机、喷气式发动机的国度，英国也不甘人后，提出了采用预冷式吸气火箭的“霍托尔”(HOTOL)计划，以降低天地往返运输的成本。“霍托尔”是一种完全可重复使用的单级航天飞机。“霍托尔”起飞速度为540km/h，在2300m长的跑道上以0.56g加速，在小于20°倾角升空时，垂直加速度可以达到1.15g，在两分钟内达到超音速状态，再用4分钟脱离传统商业航线高度（12000m），然后又耗时约9分钟达到马赫数5。此时，发动机从吸入空气模式过渡到火箭发动机运转模式，从而到达90km高度和7.9km/s的轨道发射速度，进而沿着惯性弹道飞行到300km的高空。降落时，飞行器倾角可以小于16°，速度为315km/h，能够在1800m长的潮湿跑道上实现着陆。该航天飞机可以携带7~8吨的有效载荷到达300km的近地轨道，有效载荷被装在一个直径和美国航天飞机货舱一样大小的货舱内。该货舱位于液氢和液氧箱之间，而液氢箱和液氧箱占据了用金属结构构成的机体的大部分。机体金属结构为钛/Rene41夹层材料，可以承受950°C的温度，在机头和热负荷较高的部位表面还有一层碳一碳复合材料防隔热层。这种耐高温金属/防热结构可以起到持久的热保护作用，无需像美国航天飞机那样还要更换防热瓦。“霍托尔”航天飞机的动力装置采用罗尔斯-罗伊斯公司的RB545发动机，该发动机也就是SABRE的前身。RB545发动机有吸气模式和纯火箭模式两种模式。在大气层内飞行时，发动机启动后首先以230kg/s的流量把空气吸入进气道。在这一过程中空气被压缩到约0.2Mpa，同时由于动能转换为内能，温度升高。而在此过程中，虽然空气的温度是随气流速度变化的，但最高不会超过1250K(在5马赫下)，此时空气温度过高、压力过低无法直接进入燃烧室燃烧。在这里RB545发动机创造性地引入低温液氢通过热交换器冷却空气，并通过压缩机提高空气压力，压缩机的能量由吸热后的氢通过涡轮膨胀来提供，最终压缩/液化空气与氢在燃烧室燃烧提供推力。当飞行器处于大气层以外时，则直接采用液氧作为氧化剂。“有条件要上，没有条件创造条件也要上”，RB545发动机为了实现单级入轨的梦想甚至不惜硬生生将来流空气强制剧烈预冷压缩以提取氧化剂，其所采用的方案在今天看来也非常超前。然而，由于研制生产费用巨大，罗尔斯-罗伊斯公司最终放弃了该项目，并且退出航天运载器的研制领域。无独有偶，美国采用超燃冲压发动机的“东方快车（NASP）”和德国采用涡轮冲压组合发动机的“桑格尔（Sanger）”也相继下马，随着冷战的落幕，人类探索太空的步伐也渐渐放缓。

2.今生

1989年RB545发动机项目终止后，英国曾参与“霍托尔”研制的三名主力仍然坚持研究，于1989年成立了“反应发动机公司”，自筹资金，研究发展SABRE发动机，并开展实施“云霄塔（Skylon）”空天飞机计划，进行了大量的原始技术创新。Skylon单级入轨空天飞行器搭载两台SABRE发动机，设计起飞总重325吨，有效载荷15吨，可用于执行空天运载，实施卫星和空间望远镜部署、捕获，空间站对接等任务。SABRE发动机继承了RB545强预冷的循环特征和相应技术，并引入了新的闭式氦回路，进一步大幅扩展了飞行包线，提高了经济性。该系统包含外涵道和核心机两大部分，由空气、液氢、液氧和氦回路的一些列热交换器、压气机、涡轮、燃烧室、推力室、涡轮泵、阀门和管路组成。在0~26km，0~5Ma范围内采用吸气模式，此时空气分为两路:一路空气经过减速增压升温，直接与氢气在外涵燃烧室混合燃烧产生推力；另一路则进入预冷室被氦气进行预冷后，再进行压缩，并通过预燃和以及富氧燃气二次补燃在推力室产生推力，这期间需要闭式的氦回路通过一系列复杂的换热过程进行能量管理和利用。在26km，5Ma以上则采用火箭发动机模式，由液氢液氧燃烧直接提供推力。SABRE发动机的强预冷工作方式有诸多优点：首先，降低了发动机的进口气流温度，提高了飞行器的飞行马赫数，缓解了各工作部件的热环境；其次，降低进口气流的温度可以提高气体的密度，进而增加流量，从而实现大推力。

经过不懈努力，反应动力公司科学家们的成功地研制出了SABRE的验证机，该缩比验证机的尺寸与F-35战斗机的发动机F135相当，工作速度范围为马赫数0-5，地面推力约为20吨。目前缩比验证机已经进行了100余次试车和技术验证。整个缩比验证机的研制共分为三个阶段，第一阶段到2020年，主要完成SABRE发动机预冷却器等核心部件的研制；第二阶段为2020-2021年，主要完成缩比验证机的集成试验；最后在第三阶段2020-2025年间进行飞行验证，并装备空天飞机。3.关键技术

SABRE发动机本质上是涡轮、冲压发动机和火箭发动机的组合，是航空航天动力技术的一次重要创新和探索，其独特的预冷却技术及热力学循环方式有效地降低了高超声速飞行时发动机部件的温度，并充分利用了大气中的氧气。而预冷技术的关键在于设计紧湊髙效的预冷器。反应动力公司的工程师们在选择了氦作为换热介质，并通过构造高压的闭式循环，保证了回路换热器中的氦处于超临界状态，拥有与液态相近的密度和与气态相近的流动阻力，实现高效换热。在此基础上他们设计制造了微型换热单元和“轻质高效预冷却器”，该组件由内径仅为0.1mm量级的薄壁金属管通过复杂的缠绕方式构成。在2012年的地面试验中，预冷却器实现了在0.01秒内将进气道1000°C以上的来流空气温度降低到-150°C而未结冰的惊人效果。这一结果也受到了航空航天行业的高度关注，2015年，美国空军和NASA均对SABRE发动机技术进行了评估和研究，美国国防部则通过“高马赫数飞行的持久预冷却热交换器项目”进行跟进，组织工业部门和中小企业展开研究。4.应用前景

SABRE发动机技术采用了先进的热力循环方式，在宽广的飞行包线内有着非常高的推进效率，除了Skylon以外还可以广泛应用于航空航天飞行器。从2014年起，美国空军实验室（AFRL）与反应动力公司就SABRE发动机技术展开积极合作，并在美国科罗拉多州建立分公司。美国空军表示未来可能基于SABRE发动机技术发展高超声速飞机和两级入轨空天飞行器，以进一步完善其高超声速装备体系。

随后，AFRL推出了两型基于SABRE发动机的两级入轨空天飞行器计划，第一阶段的飞行器方案起飞总重为159吨、起飞距离600多米、有效载荷2.3吨，第一级采用两台SABRE发动机作为动力，推进剂质量比为0.43，在马赫数4.4、飞行器高度20千米左右时转换为火箭模式，当爬升到80km高度、马赫数8时，第一级与第二级分离。第二级通过火箭发动机入轨，而第一级则可返回并重复使用。第二型空天飞行器的第一级和第二级均可重复使用、起飞总重约590吨、有效载荷约9吨，整个飞行器总长约57米，第一级同样采用两台SABRE发动机，能够将9吨的有效载荷发射至高度183千米的近地轨道。



SABRE发动机所采用的先进预冷技术和热力循环方式除了可以用于航天发射任务外，也可以应用于航空飞行领域，大幅提高大气层内高超速飞行性能。欧洲“长期先进推进技术概念研究（LAPCAT-II）计划”中的民用高超声速运输机/客机的动力装置就基于SABRE技术，使飞机同时具有良好的超声速和亚声速性能，实现在马赫数5的状态下超音速巡航。在军事领域，英国BAE公司于2016年基于SABRE发动推出了机技术的高超声速快速响应飞机概念，该飞机可以实现在临近空间内以马赫数5巡航飞行，可快速完成补给、精确侦察和信息支援等作战任务。

结束语

如果把拼尽蛮力向天空冲刺的传统化学火箭比作是人类太空时代的独木舟的话，采用吸气式发动机利用大气层内氧化剂的空天飞机将会成为太空时代的帆船，带着地球母亲的祝福和馈赠，帮助我们奔向更远方。而在这一伟大的征程中，以先进换热/热防护技术和先进结构设计/制造技术为代表的航天先进结构技术必将发挥重要作用。

航天先进结构资讯微信号:  NewStrInfo

    关注 航天先进结构资讯