帐中说兵

    为利用大气层内空气中的氧气作为发动机氧化剂，首先面临的重要问题之一是高温问题：当空天飞行器在大气层内超高速飞行时，气流在进入发动机后减速过程中气流温度剧烈升高，其温度与空天飞行器飞行马赫数的平方成正比。例如，在高空马赫数5飞行时气流进入发动机减速后，温度可达1000摄氏度以上，高进气温度使得发动机材料强度变差、可靠性降低。同时从发动机工作原理上讲，高进气温度也会使得发动机性能变差，难以满足空天飞行器的推力需求。

    既然问题是高温，那么，一种直接有效的办法，就是将气流高温通过技术手段降低至发动机温度限制以下，使发动机能够在大气层内以吸气模式可靠高效工作。这种思路引出了可重复使用空天飞行器动力系统发展的重要方向之一——进气预冷。

    进气预冷概念的提出可以追溯到上世纪50年代Marquardt相关研究人员提出的LACE方案。该方案以液氢作为发动机燃料，利用氢燃料比热容大、吸热量大的特点，在大气层内工作时发动机在前端预冷换热器中利用液氢燃料将来流气流高温大幅度降低至冷凝液化，而后进入发动机工作。这种方案理论上降低了氧化剂消耗及携带量，有效降低了发射成本，因此受到了各航空大国的重视并开展了大量研究，发展出了多种进气预冷动力方案。

    然而，从上述介绍不难发现，进气预冷发动机的关键是在高马赫数工作时在极短时间内将大量高温气流实现大幅度温降，同时具有质量轻、体积小的特点，以降低对发动机整体性能带来的影响，而传统的预冷技术无法达到这一极强换热能力及轻质、紧凑的要求。如美国射流预冷MIPCC方案、日本ATREX方案及俄罗斯ATRDC方案等，都因其中进气预冷部分换热能力低、预冷的收益远低于重量增加带来的不利影响、冷却剂大量消耗，以及其他技术难题而未能进入实际工程研制阶段。而近年来在进气预冷发动机领域最值得关注的是英国反应动力公司（简称REL）的“云霄塔”空天飞机的动力系统——“佩刀”协同式吸气火箭发动机（简称SABRE）相关技术进展。

    “佩刀”发动机技术前身为上世纪80年代中期英国开展的“霍托尔”（简称HOTOL）空天飞机计划。HOTOL空天飞机是一种水平起降、可重复使用的单级入轨空天飞行器，设计起飞重量约250吨，有效载荷可达7吨。为满足水平起降、单级入轨等技术指标要求，HOTOL空天飞机的动力RB545发动机采用了进气预冷的吸气式发动机与火箭发动机组合的动力方式。在大气层内26千米、飞行马赫数5以下以吸气方式工作，在马赫数5以上像传统火箭一样使用火箭发动机产生推进力。RB545发动机方案吸气式工作原理，以液氢燃料作为冷却剂在主气流进入压气机压缩前进行预冷，经过压气机压缩后压力升高至火箭燃烧室压力要求，而后进入燃烧室与燃料掺混点燃产生推力。该方案发挥了进气预冷的优势，降低了发动机氧化剂需求，提升了动力系统的整体性能。

    在当时看来，该计划是一种极为先进的技术方案，也伴随着巨大的技术挑战，例如，变几何进气道质量大、HOTOL飞行器结构重心变化导致的飞行不稳定问题，以及轻质、紧凑高效进气预冷换热器实现难度大等问题。由于上述严峻的技术挑战，外界对项目评估的结果非常不乐观，表示研究总经费巨大（1985年币值达50亿英镑），以及研发周期将达到20年，加之欧空局批准开展阿丽亚娜5型运载火箭研制、英国国家航天中心放弃航天发射及载人航天研究转而专注于航天应用等政策背景，罗·罗公司、英国政府逐步放弃了对HOTOL计划的资金支持。至此，HOTOL计划的发展前景愈发黯淡，但是HOTOL计划核心技术人员艾伦·邦德、约翰·斯科特及理查德·瓦尔维尔三人认为，该项技术仍具有广阔的技术前景并且已具有一定的技术基础，因此在1989年成立了英国REL公司，继续开展相关空天飞机及预冷发动机技术研究，并取名“云霄塔”（SKYLON）及“佩刀”（SABRE）。

    “云霄塔”是在HOTOL空天飞机基础上提出的可水平起降、重复使用单级入轨空天飞行器方案。最新方案起飞推力325吨，有效载荷可达15吨，占比4.6%，与火箭相比大幅提高了有效载荷比例，除此之外设计重复使用寿命可达200次，将空天运输单位酬载成本从18,000美元/公斤降至820美元/公斤，可实现空天运输的革命性突破。

    “云霄塔”飞行器杰出性能的根源是其革命性的“佩刀”协同式吸气火箭发动机。“佩刀”发动机具有两种工作模式，当飞行速度低于马赫数5.5、飞行高度小于26千米时，发动机处于吸气工作模式，利用其内部的进气预冷换热器对进口高温空气进行大幅度快速冷却，并将冷却后的空气作为助燃剂与氢燃料混合燃烧后产生推力；而在马赫数和高度更高条件下工作时，采用氢氧火箭发动机模式，以保证飞行器入轨。“佩刀”发动机吸气模式工作原理在RB545发动机工作原理基础上引入了氦介质内部闭式循环系统，预冷换热器内部的换热介质由氢变成了安全性更高的氦，保证了发动机高温部件的安全性。除此之外，在高温空气和液氢冷却剂直接构建热力循环系统，利用超临界氦具有可将高温气流中携带的大量热能高效转化为功，大幅度提高发动机性能，在马赫数5工作时比冲可达3600秒以上（火箭发动机比冲约400秒）。

    “佩刀”发动机作为一种全新形式的空天飞行器动力系统，具有许多全新技术特征的新部件/系统。这些新部件/系统中关键技术涉及气动热力学、加工制造、力学、材料工艺、叶轮机械等多学科领域，具有很大挑战性，因此自成立开始，英国REL公司就联合众多高校、科研单位及相关企业开展了大量关键技术研究及验证工作。

    （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）