“佩刀”为天地往返提供新动力

2015-07-08黄志澄

国际太空 2015年7期

“佩刀”为天地往返提供新动力

最近，美国空军研究实验室（AFRL）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。美国空军研究实验室认为，“佩刀”是一项有吸引力的技术，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。美国空军研究实验室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。该实验室项目经理巴里·赫尔曼表示，分析已证实了“佩刀”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,与其他推进系统相比,“佩刀”可为高速空天飞行器带来哪些优势?

早在2014年1月，美国空军研究实验室就与英国反应发动机公司签署了“合作研究与发展协议”（CRADA）。当时，该实验室就分析检验了“佩刀”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。这次美国空军研究实验室正式公布了对“佩刀”的评估结果，从而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。

“佩刀”发动机的诞生可以追溯到20世纪80年代中期。那时许多国家，为了降低天地往返运输的费用，纷纷提出了多种可以水平起降的空天飞机方案，其中最著名的是英国采用预冷式吸气火箭的“霍托尔”(HOTOL)、美国采用超燃冲压发动机的“东方快车”国家空天飞机（NASP）和德国采用涡轮冲压发动机的“桑格尔”(SANGER)。在这些方案中，最关键的是其动力系统各不相同。到了20世纪90年代，这3个国家的空天飞机相继下马，但英国曾参与“霍托尔”研制的3名主力艾伦·邦德（Alan Bond）、理查德·瓦威尔（Richard Varvill）和约翰·斯科特（John Scott）仍然坚持前行，并于1989年成立了英国反应发动机公司，自筹资金，低调实施“云霄塔”空天飞机计划。“云霄塔”的设计目标是每次运行的费用为1000万美元。“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“佩刀”发动机方面，取得了重大进展。

“佩刀”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，而冷却的氦气则用于冷却空气。这种发动机比起液化空气循环发动机（LACE）来，并没有将空气冷却成液体，从而可节省能量。“佩刀”发动机的关键组成部分是预冷热交换系统，该系统能冷却从进气口吸入的空气。热交换系统由许多螺旋形缠绕的细小管道组成，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项关键技术，其一是制造技术，他们采用了铬镍铁718合金管，孔径为0.98mm，厚度为40μm，它能确保良好的热交换性能而没有物理强度的降低。这种管道曾在20MPa、720℃被氧化1800h状态下，成功地通过了蠕变考核试验。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。“佩刀”发动机经过在一个专门建造的地面试验台上完成的100多次试验，证明它能在0.01s内将气流从1000℃冷却到-150℃，不会造成霜冻堵塞。

目前，英国反应发动机公司的研究工作已得到了欧洲航天局（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年建造的一台原型发动机。对于这次美国空军研究实验室公布的评估结果，英国反应发动机公司宣布，对于10多年来一直在为其技术寻求支持的公司而言，美国空军研究实验室的评估结果是一个好消息。英国反应发动机公司和美国空军研究实验室计划进一步联合开展“佩刀”的研制工作，包括测试“佩刀”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。

根据英国反应发动机公司的计划，“佩刀”发动机将在2019年进行首次飞行试验。到时安装这种发动机的飞行器还不是其设想中的单级入轨的“云霄塔”空天飞机，而是一种飞行马赫数约为5的试验飞行器，这个速度的飞行器，可以用作客机，也可以发展成为两级入轨空天飞机的载机。当然，这家公司不会放弃研制“云霄塔”的长远目标。目前，“佩刀”发动机虽然在技术上已经取得较大突破，但要成功进行飞行试验，仍然还要攻克和飞行器进行匹配等诸多难关。

英国人在研制“佩刀”发动机方面取得重大进展的事实告诉我们，一项创新的设想若要成功，一是贵在坚持，二是要能够争取到政府、业界和民众等各方面的支持。

黄志澄/文