□ 邹正平 王一帆

    帐中说兵

    火箭发动机受工作原理限制需自身携带大量氧化剂，大幅度增加了发射质量及氧化剂消耗，使得动力系统比冲等性能较差；同时大量氧化剂质量导致其需要以多级的方式实现入轨。这些因素使得采用火箭发动机作为动力系统的空天飞行器发射成本居高不下。

    高超声速强预冷发动机中新理论及关键技术多，是一种科学、技术与工程高度融合的先进动力系统，具有鲜明的多学科交叉、多技术领域耦合的特征。

    发展低成本、高可靠性、使用方便灵活的可重复使用空天飞行器是空天技术发展的重要方向之一，而可重复使用的先进动力技术是实现该类型空天飞行器技术优势的核心。

    自上世纪中叶第一颗人造卫星进入轨道、叩响空天之门以来，人类从未放缓过探索太空、开发太空的步伐。其中空天飞行器作为进入太空必需的运输工具，不论在军事或商业航天领域中，与其他交通工具一样，廉价、可靠、快速灵活的特点是其追求的重要目标。而经过60余年的发展，目前空天飞行器仍以单次使用运载火箭为主，其发射成本约1亿美元以上、单位酬载成本约18000美元/公斤，且具有2～4%发射失败率，以及数月的发射准备周期。

    由于高发射成本、可靠性不够高、发射周期长等问题，全世界一年的运载火箭发射仅百余次（2018年航天发射114次），直接限制了太空技术的发展。因此，发展低成本、高可靠性、使用方便灵活的可重复使用空天飞行器是空天技术发展的重要方向之一，而可重复使用的先进动力技术是实现该类型空天飞行器技术优势的核心。

    火箭发动机作为现阶段发射次数最多、技术最为成熟的空天飞行器动力系统，就其技术原理本身而言，并不是适用于低成本可重复使用空天飞行器的最佳性能动力系统。该类型发动机自地面点火起采用自带氧化剂与燃料点燃产生推力，需携带大量氧化剂，使得推进剂质量占比极大，一般约85～92%；而由于大量的推进剂质量导致其有效载荷占比小，通常仅占总质量0.7～2.0%左右。例如，阿丽亚娜5G型运载火箭发射总重720吨，有效载荷质量仅为9.5吨，占比1.3%，而推进剂质量642吨，占比达89.2%，其中氧化剂又在推进剂中质量占比超过70%。由此可见，火箭发动机受工作原理限制需自身携带大量氧化剂，大幅度增加了发射质量及氧化剂消耗，使得动力系统比冲等性能较差；同时大量氧化剂质量导致其需要以多级的方式实现入轨。这些因素使得采用火箭发动机作为动力系统的空天飞行器发射成本居高不下。

    为克服火箭发动机存在的这些问题，研究人员提出了在大气层内爬升阶段采用吸气模式的可重复使用空天飞行器动力系统方案。这类动力系统方案利用空气中氧气作为氧化剂，有效降低推进剂消耗及所需携带的质量，并由此可实现两级或单级入轨，可大幅降低空天运输成本，同时可通过多次重复使用分摊降低单次发射成本。

    （第一作者系北京航空航天大学长聘教授，博士生导师，主要从事吸气式高超声速动力系统及叶轮机气体动力学相关研究）