組合發動機技術或可將軌道運輸成本降低九成
作者：李嵩
【環球網軍事報道】8 月24 日，中國航天第三專業信息網第38 屆技術交流會暨第二屆空天動力聯合會議在大連市拉開帷幕。在這次動力系統唱主角的盛會上，組合發動機成為大家討論的熱點。那麼，組合發動機到底有什麼“過人之處”？未來的發展路徑又是什麼呢？
需求催生組合發動機
眾所周知，軌道運輸價格高昂的原因：一是源於有效載荷小，運載火箭絕大部分推力都浪費在了運輸自身燃料上;二是源於單次使用，多級火箭都是用完後就拋棄。
如果可以充分利用大氣層中的氧氣，就可以減少氧化劑的攜帶量;如果運載器可以重複使用，就可以分攤單次發射的成本。於是，兩級入軌方案甚至單級入軌方案便應運而生。
兩級入軌飛行器由一級大氣層內運載器和二級軌道運載器組成。一級運載器是使用吸氣式組合發動機的運輸機，將軌道運載器加速送達高空後返回，之後二級軌道運載器繼續加速爬升將有效載荷送入軌道後再返回地面。而單級入軌飛行器則直接通過組合發動機驅動從地面起飛，將載荷送入軌道後返回。
想要實現兩級入軌甚至單級入軌就需要在不同大氣環境和極寬速度範圍內都具有很高工作效率的噴氣發動機。
但現有的幾種噴氣式發動機都有明顯的使用邊界，優點和缺點共存。
火箭發動機雖然力大無窮又迅捷無比，在大氣層和外部空間都能工作，但是燃料的消耗量太大，加上內部工作環境比較惡劣，導致工作時間和工作壽命都不長，經濟性很差。
渦輪噴氣發動機可以在中低速飛行時，長時間工作和重複使用，經濟性很好，但其複雜的增壓機構限制了其飛行速度和飛行高度的上限。
衝壓發動機是高空、高速、遠距離飛行的理想動力裝置。但衝壓發動機的獨特壓縮形式使其只能在高速下工作，這就需要有額外的動力裝置來為它加速，高速飛行帶來的熱防護和熱疲勞問題也限制了它的使用和推廣。
想要便捷、經濟地實現天地往返運輸，就需要將這幾種噴氣發動機的優點結合起來，使它們取長補短在各自擅長的領域發揮最大效能，於是組合發動機概念便誕生了。
早在上世紀80年代，世界主要航天技術強國都推出了各自的兩級/單級入軌飛行器的發展計劃，比較知名的有美國的國家空天飛機計劃、英國的霍托爾計劃和德國的桑格爾計劃等。
百花齊放的組合發動機
渦輪-衝壓組合發動機彌補了渦輪發動機高速時效率低下和衝壓發動機不能零速啓動的缺點。渦輪發動機負責在水平起降和在中低空飛行時提供動力，並將衝壓發動機加速到啓動速度，衝壓發動機則負責在高空高速飛行時提供動力。
如何解決渦輪發動機和衝壓發動機“接力”時的“推力陷阱”問題是這一組合方案的難題。
法國在渦輪-衝壓組合發動機領域的研究開始得最早，其技術驗證機——“獅鷲Ⅱ”在1959年就創造了載人吸氣式飛機的速度世界紀錄。比較著名的美國SR-71戰略偵察機同樣也使用了渦輪-衝壓組合發動機，由此可見這種發動機在速度方面的巨大優勢。
火箭-衝壓組合發動機將火箭發動機與雙模態衝壓發動機組合在一起，適合作為兩級入軌方案中軌道運載器的動力。這種方式可以大大節省燃料，但目前這種雙模態衝壓發動機技術成熟度還有待繼續提高。
協同式吸氣火箭發動機(英文縮寫與“佩刀”的單詞相同，因此也叫做佩刀發動機)是目前唯一在研製的單級入軌動力裝置。這種發動機在氣流壓縮過程中使用深度預冷技術，大幅地降低了來流温度，從而拓寬了渦輪發動機的工作範圍。難點在於預冷器的研發。目前，已經完成了毛細冷卻管制造技術和低温霜凍堵塞控制技術的攻關。
強勁需求帶動快速發展
高昂的發射成本阻礙了人類大規模進入空間的腳步，但不變的飛天夢卻激發了人類更多的創新靈感。組合發動機技術的成熟將有望大幅降低軌道運輸成本，單次發射費用將會降至目前水平的10%，甚至更低，不但可以加快人類空間探索的步伐，還可以實現普通人的太空旅行夢想。
組合發動機將使人類的航空領域從底層大氣拓展到臨近空間。那裏空氣稀薄，更適合高速飛行，可以實現快速到達和打擊、偵察距離近於衞星，並位於目前所有防空武器的打擊範圍之外，藴含着巨大的潛在軍事價值。
近些年，世界各國加大了組合發動機和臨近空間高速飛行器的研發投入力度。美國的SR-72高超聲速飛行器使用渦輪-衝壓發動機組合動力，計劃將於2018年進入驗證機開發階段。英國的雲霄塔軌道運載器最大限度地繼承了霍托爾計劃的遺產，是目前唯一在研的單級入軌飛行器，隨着佩刀發動機的逐漸成熟，“雲霄塔”的首飛也已經列入正式計劃。
組合發動機還將大幅縮短洲際旅行的時間。到那個時候，如果查爾斯•林白依然健在，只需要不到2小時就可以從紐約飛抵巴黎，世界各國間的聯繫會更加緊密，也將進一步加速全球化的進程。
組合發動機目前還處於單項發動機技術的研究與攻關階段，主要包括高速渦輪基技術、亞燃/超燃衝壓發動機技術、可重複使用火箭發動機技術、飛行器/發動機一體化設計技術和熱防護技術五項，技術成熟度都還難以滿足工程應用的要求。
但正如佩刀發動機項目現任技術總監裏瓦•威爾所説：“實現太空之旅的夢想耗資巨大，但是沒有那一條物理定律説必須以某種方式實現這一夢想，我們需要證明那條道路是可行的”。有人類的飛天夢想作為驅動，組合發動機終將徹底改變人類太空旅行的方式。