高超聲速強預冷發動機——空天動力領域的顛覆性技術_風聞

鄒正平，博士，北京航空航天大學長聘教授，博士生導師，主要從事吸氣式高超聲速動力系統及葉輪機氣體動力學相關研究。

1、引言

自上世紀中葉第一顆人造衞星進入軌道、叩響空天之門以來，人類從未放緩過探索太空、開發太空的步伐。其中空天飛行器作為進入太空必需的運輸工具，不論在軍事或商業航天領域中，與其他交通工具一樣，廉價、可靠、快速靈活的特點是其追求的重要目標。

而經過60餘年的發展，目前空天飛行器仍以單次使用運載火箭為主，其發射成本約1億美元以上、單位酬載成本約18,000美元/公斤，且具有2%～4%發射失敗率以及數月的發射準備週期，由於高發射成本、可靠性不夠高、發射週期長等問題，全世界一年的運載火箭發射僅百餘次（2018年航天發射114次），直接限制了太空技術的發展。

因此，發展低成本、高可靠性、使用方便靈活的可重複使用空天飛行器是空天技術發展的重要方向之一，而可重複使用的先進動力技術是實現該類型空天飛行器技術優勢的核心。

火箭發動機作為現階段發射次數最多、技術最為成熟的空天飛行器動力系統，就其技術原理本身而言，並不是適用於低成本可重複使用空天飛行器的最佳性能動力系統。

該類型發動機自地面點火起採用自帶氧化劑與燃料點燃產生推力，需攜帶大量氧化劑，使得推進劑質量佔比極大，一般約85～92%；而由於大量的推進劑質量導致其有效載荷佔比小，通常僅佔總質量0.7～2.0%左右。例如：阿麗亞娜5G型運載火箭發射總重720噸，有效載荷質量僅為9.5噸，佔比1.3%，而推進劑質量642噸，佔比達89.2%，其中氧化劑又在推進劑中質量佔比超過70%。

由此可見，火箭發動機受工作原理限制需自身攜帶大量氧化劑，大幅度增加了發射質量及氧化劑消耗，使得動力系統比衝等性能較差，同時大量氧化劑質量導致其需要以多級的方式實現入軌，這些因素使得采用火箭發動機作為動力系統的空天飛行器發射成本居高不下。

為克服火箭發動機存在的這些問題，研究人員提出了在大氣層內爬升階段採用吸氣模式的可重複使用空天飛行器動力系統方案，這類動力系統方案利用空氣中氧氣作為氧化劑，有效降低推進劑消耗及所需攜帶的質量，並由此可實現兩級或單級入軌，可大幅降低空天運輸成本，同時可通過多次重複使用分攤降低單次發射成本。

然而為利用大氣層內空氣中氧氣作為發動機氧化劑，首先面臨的重要問題之一是高温問題：當空天飛行器在大氣層內超高速飛行時，氣流在進入發動機後減速過程中氣流温度劇烈升高，其温度與空天飛行器飛行馬赫數的平方成正比，例如在高空馬赫數5飛行時氣流進入發動機減速後温度可達1000攝氏度以上，高進氣温度使得發動機材料強度變差、可靠性降低，同時從發動機工作原理上講，高進氣温度也會使得發動機性能變差，難以滿足空天飛行器的推力需求。既然問題是高温，那麼一種直接有效的辦法就是將氣流高温通過技術手段降低至發動機温度限制以下，使發動機能夠在大氣層內以吸氣模式可靠高效工作，這種思路引出了可重複使用空天飛行器動力系統發展的重要方向之一——進氣預冷。

2、強預冷發動機發展歷程及現狀

進氣預冷概念的提出可以追溯到上世紀50年代Marquardt相關研究人員於提出的LACE（Liquefied Air Cycle Engine）方案，該方案以液氫作為發動機燃料，利用氫燃料比熱容大、吸熱量大的特點，在大氣層內工作時發動機在前端預冷換熱器中利用液氫燃料將來流氣流高温大幅度降低至冷凝液化，而後進入發動機工作。

這種方案理論上降低了氧化劑消耗及攜帶量，有效降低了發射成本，因此受到了各航空大國的重視並開展了大量研究，發展出了多種進氣預冷動力方案。然而從上述介紹不難發現，進氣預冷發動機的關鍵是在高馬赫數工作時在極短時間內將大量高温氣流實現大幅度温降，同時具有質量輕、體積小的特點，以降低對發動機整體性能帶來的影響，而傳統的預冷技術無法達到這一極強換熱能力及輕質、緊湊的要求，如美國射流預冷MIPCC方案、日本ATREX方案及俄羅斯ATRDC方案等，都因其中進氣預冷部分換熱能力低、預冷的收益遠低於重量增加帶來的不利影響、冷卻劑大量消耗以及其他技術難題而未能進入實際工程研製階段，而近年來在進氣預冷發動機領域最值得關注的是英國反應動力公司（Reaction Engines Limited，簡稱REL）的“雲霄塔”空天飛機（SKYLON）的動力系統——“佩刀”協同式吸氣火箭發動機（SynergeticAir-Breathing Rocket Engine，簡稱SABRE）相關技術進展。

“佩刀”發動機技術前身為上世紀八十年代中期英國開展的“霍托爾”（Horizontal Take-off and Landing，簡稱HOTOL）空天飛機計劃。HOTOL空天飛機（如圖1所示）是一種水平起降、可重複使用的單級入軌空天飛行器，設計起飛重量約250噸，有效載荷可達7噸。為滿足水平起降、單級入軌等技術指標要求，HOTOL空天飛機的動力RB545發動機採用了進氣預冷的吸氣式發動機與火箭發動機組合的動力方式，在大氣層內26km、飛行馬赫數5以下以吸氣方式工作，在馬赫數5以上像傳統火箭一樣使用火箭發動機產生推進力。RB545發動機方案吸氣式工作原理如圖2所示，以液氫燃料作為冷卻劑在主氣流進入壓氣機壓縮前進行預冷，經過壓氣機壓縮後壓力升高至火箭燃燒室壓力要求，而後進入燃燒室與燃料摻混點燃產生推力，該方案發揮了進氣預冷的優勢，降低了發動機氧化劑需求，提升了動力系統的整體性能。

圖1 HOTOL空天飛機及結構示意圖

在當時看來該計劃是一種極為先進的技術方案，也伴隨着巨大的技術挑戰，例如變幾何進氣道質量大、HOTOL飛行器結構重心變化導致的飛行不穩定問題、以及輕質、緊湊高效進氣預冷換熱器實現難度大等問題。由於上述嚴峻的技術挑戰，外界對項目評估的結果非常不樂觀，表示研究總經費巨大（1985年幣值達50億英鎊），以及研發週期將達到20年，加之歐空局（ESA）批准開展阿麗亞娜5型運載火箭研製、英國國家航天中心放棄航天發射及載人航天研究轉而專注於航天應用等政策背景，羅·羅公司、英國政府逐步放棄了對HOTOL計劃的資金支持，至此HOTOL計劃的發展前景愈發黯淡，但是HOTOL計劃核心技術人員艾倫·邦德（Alan Bond）、約翰·斯科特（John Scott-Scott）及理查德·瓦爾維爾（Richard Varvill）三人認為該項技術仍具有廣闊的技術前景並且已具有一定的技術基礎，因此在1989年成立了英國REL公司，繼續開展相關空天飛機及預冷發動機技術研究，並取名“雲霄塔”（SKYLON）及“佩刀”（SABRE）。

圖2 RB545發動機構型及簡化工作原理示意圖

“雲霄塔”（如圖3所示）是在HOTOL空天飛機基礎上提出的可水平起降、重複使用單級入軌空天飛行器方案，最新方案起飛推力325噸，有效載荷可達15噸，佔比4.6%，與火箭相比大幅提高了有效載荷比例，除此之外設計重複使用壽命可達200次，將空天運輸單位酬載成本從18,000美元/公斤降至820美元/公斤，可實現空天運輸的革命性突破。

圖3 “雲霄塔”飛行器示意圖

“雲霄塔”飛行器傑出性能的根源是其革命性的“佩刀”協同式吸氣火箭發動機。“佩刀”發動機（如圖4所示）具有兩種工作模式，當飛行速度低於馬赫數5.5、飛行高度小於26公里時，發動機處於吸氣工作模式，利用其內部的進氣預冷換熱器對進口高温空氣進行大幅度快速冷卻，並將冷卻後的空氣作為助燃劑與氫燃料混合燃燒後產生推力；而在馬赫數和高度更高條件下工作時，採用氫氧火箭發動機模式，以保證飛行器入軌。

“佩刀”發動機吸氣模式工作原理在RB545發動機工作原理基礎上引入了氦介質內部閉式循環系統，預冷換熱器內部的換熱介質由氫變成了安全性更高的氦，保證了發動機高温部件的安全性，除此之外，在高温空氣和液氫冷卻劑直接構建熱力循環系統，利用超臨界氦具有可將高温氣流中攜帶的大量熱能高效轉化為功，大幅度提高發動機性能，在馬赫數5工作時比衝可達3600秒以上（火箭發動機比衝約400秒）。

圖4 “佩刀”發動機構型及簡化工作原理示意圖

 “佩刀”發動機作為一種全新形式的空天飛行器動力系統，具有許多全新技術特徵的新部件/系統，這些新部件/系統中關鍵技術涉及氣動熱力學、加工製造、力學、材料工藝、葉輪機械等多學科領域，具有很大挑戰性，因此自成立開始，英國REL公司就聯合眾多高校、科研單位及相關企業開展了大量關鍵技術研究及驗證工作。

由前述介紹可知，“佩刀”發動機方案的核心是發動機前端預冷換熱器，該換熱器需要具有超強的換熱能力，且需要在高温超高壓環境下持續可靠工作，這給換熱器設計技術和加工檢測技術都帶來了嚴峻的挑戰，因此，在英國REL成立後的20餘年內，公司聯合布里斯托大學等研究單位，在當時工業技術條件下提高預冷器的換熱效率的同時並儘可能的實現輕質、緊湊、高可靠性，並最終實現了預冷器技術的革命性突破。

2012年11月，英國REL完成了預冷用緊湊快速強換熱器的驗證試驗（如圖5所示），成功實現了將大氣中的常温空氣無霜冷卻到零下150攝氏度，並一共完成了超過300次試驗驗證，初步驗證了預冷器的設計方法、製造技術和試驗方法，試驗結果表明該技術具備在0.05秒內將400公斤/秒量級的空氣降温1100攝氏度的能力，並能夠保持其單位重量的換熱量達到100千瓦/公斤。

​在此基礎上，英國REL於2019年3月搭建完成了預冷器高温試驗驗證平台（如圖6所示），可提供超過1000攝氏度的進氣來流，以模擬馬赫數5飛行時預冷器進氣高温條件，並已完成模擬來流馬赫數3.3飛行時高温來流條件（420攝氏度）預冷器高温試驗驗證。

除此之外，在閉式循環系統中氦工質葉輪機技術方面，英國REL公司與馮卡門實驗室、Quadratec Ltd公司合作開展了大量研究工作並完成了實驗驗證；在噴管及推力室技術方面，英國REL公司聯合德國宇航中心（DLR）、Airborne發動機公司開展了關鍵技術實驗驗證工作；在“佩刀”發動機變幾何進氣道及旁路衝壓發動機技術方面，英國REL與德國宇航中心（DLR）及DAYERN-CHEMIE公司合作開展了相關技術研究及部分實驗驗證。由此可見，“佩刀”發動機技術發展中多學科、多專業耦合的特徵鮮明，聯合高校、研究機構及相關企業共同研製可加速推動其技術發展。

圖5 英國REL公司預冷器樣機及常温試驗平台

圖6 預冷器高温試驗平台及實驗樣機

除此之外，基於“佩刀”發動機方案優異的綜合性能並且在相關關鍵技術已得到試驗驗證的基礎上，英國REL公司近年來與全世界多個研究機構及公司就“佩刀”發動機技術在入軌飛行器及高超聲速飛機等應用方面開展了多項合作計劃。

基於對“佩刀”發動機技術先進性及可行性的認同，英國BAE系統公司於2015年宣佈提供“工業、技術和資本資源”，用於進行“佩刀”發動機原型機地面試驗研究，並於2016年7月發佈了基於“佩刀”發動機的水平起降高超聲速快速響應飛行器概念及作戰設想（如圖7所示）；同時，在歐盟遠期先進推進概念和技術計劃（Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies，簡稱LAPCAT）中，基於強預冷技術衍生出的適用於高超聲速巡航的“彎刀”（SCIMITAR）發動機方案，英國REL公司提出了馬赫數5巡航的高超聲速民用飛機方案（如圖8所示）；除此之外，2015年美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，簡稱AFRL）開展了針對“佩刀”發動機關鍵技術的性能評估工作，結果表明“佩刀”發動機先進可行、在工程實現上不存在重大技術障礙；在此基礎上與英國REL簽訂合作研究發展協議，就“佩刀”發動機在太空發動機飛行器、高超聲速飛機及軍事領域的應用開展相關合作，並於2016年9月AFRL發佈了兩套基於“佩刀”發動機的水平起降兩級入軌飛行器概念方案（如圖9所示），並已經將基於“佩刀”發動機技術的高超聲速空天飛行器方案列入美國水平起降重複使用空天飛行器重要技術路線之一，以便加速自身高超聲速飛行器技術和裝備發展。

圖7 英國BAE水平起降高超聲速快速響應飛行器概念

圖8 LAPCAT計劃中高超聲速民用飛機A2方案

圖9 AFRL基於“佩刀”發動機的雙級入軌飛行器方案

鑑於“佩刀”發動機樂觀的技術進展以及巨大的應用價值，英國政府、歐盟及航空航天企業給予了高度重視並不斷加大對英國REL公司的投資力度。英國政府於2013年7月為該項目2014～2016年的研究投資6000萬英鎊，並計劃在2020年前再投入若干倍資金；截止2015年8月，歐盟已先後為該項目投資5800萬英鎊，並已將“佩刀”發動機關鍵技術作為高超聲速飛機推進技術的研究重點之一，列入歐盟LAPCAT計劃，在第六框架和第七框架計劃中給予重點支持；2015年12月，英國BAE系統公司投資約2100萬英鎊收購英國REL公司20%股份，以資助其關鍵技術的發展；2017年9月，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）授予英國REL美國分公司REI一份科研合同並要求在美國進行預冷器高温試驗；2018年4月，美國波音公司及英國羅·羅公司成為REL公司的新投資商，聯合BAE公司共計投資2650萬英鎊（約3750萬美元）用以資助“佩刀”發動機項目的發展，以發展下一代高超聲速飛行技術及空天運輸飛行器。

在“佩刀”發動機各項核心技術取得了上述關鍵性突破且獲得大量資金支持的基礎上，英國REL公司未來計劃於2020年開展發動機縮比驗證核心機地面試驗驗證，主要驗證發動機低油耗及可操作性等性能，並於2022年開始“佩刀”發動機地面集成試驗驗證；在此基礎上，英國REL公司計劃2025年完成發動機飛行試驗驗證，並於2030年實現發動機工程應用，其公佈的發展計劃如圖10所示。

圖10 英國REL公司“佩刀”發動機未來發展計劃

英國REL通過多年來的技術發展及近年來標誌性的關鍵技術突破，使得歷經周折的強預冷發動機技術終於獲得全世界空天領域的矚目，並被業內人士認為是發動機領域的顛覆性技術，是“噴氣推進發明以來的第二次革命”。

歐空局（ESA）也對此項目信心十足，認為驗證機研究必將成功，並且堅信該技術將是全球推進領域的一項重要里程碑。英國大學與科學部長David Willetts評價稱“這項技術會徹底改變未來的空中和太空旅行”，同時英國航天領域人士認為，這項技術約在十年左右就可最終在工程上實現。除此之外，AFRL認為“佩刀”發動機是一項十分有吸引力的技術，並有希望領先於其它動力方案更早的在水平起降重複使用空天飛行器上投入使用。

3、小結與啓示

從上述介紹可以看出，高超聲速強預冷發動機利用空氣中氧氣作為氧化劑，有效降低了對自身攜帶氧化劑的需求，利用強預冷技術大幅降低高超聲速飛行時發動機進口來流空氣滯止高温，同時採用閉式循環系統實現了對來流空氣熱量的高效利用，從而在寬廣速域工作範圍內具有高可靠性、高比衝、低成本等優勢，並能夠在零馬赫數起動。

高超聲速強預冷發動機可作為可水平起降、可重複使用單級/兩級入軌空天飛行器動力系統以有效降低酬載成本，還可作為可水平起降、可重複使用高超聲速飛機動力系統以實現從零馬赫數起動以及馬赫數0～6範圍內高性能，是可水平起降、可重複使用空天飛行器的一種理想動力方案，是空天技術領域非常重要的研究發展趨勢。

同時，近年來國外在該技術領域取得的進展迅速，已完成了大量關鍵技術攻關，技術成熟度不斷提高，並且受到了世界各航空航天機構的廣泛認可，這表明該技術無“卡脖子”的難題，高超聲速強預冷發動機技術原理先進且技術可行。

值得關注的是，高超聲速強預冷發動機中新理論及關鍵技術多，是一種科學、技術與工程高度融合的先進動力系統，具有鮮明的多學科交叉、多技術領域耦合的特徵，從英國“佩刀”發動機發展歷程可以看出，緊密聯合高校、研究機構及相關技術企業開展關鍵技術攻關，實現產、學、研、用的緊密結合，優勢互補，可加速推進高超聲速強預冷發動機技術發展。