2015-07-27 16:42 國際航空 國際航空 我要評論0

英國“佩刀”協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機應用對象是“云霄塔”空天飛行器?！霸葡鏊痹O計起飛總重325t，有效載荷15t，可用于執(zhí)行空天運載，實施衛(wèi)星和空間望遠鏡部署、捕獲和空間站對接等任務。

“佩刀”協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機和“云霄塔”空天飛行器的前身分別是羅羅公司的RB545發(fā)動機和英國航空航天研究院1985年開始發(fā)展的水平起降單級入軌空天飛機（HOTOL）。因費用問題和前景不明，羅羅公司于1989年停止研制RB545。隨后，RB545的發(fā)明人與其合伙人在同年創(chuàng)建反作用發(fā)動機公司，利用民間資金（據(jù)BBC報道占85%）和部分政府資助繼續(xù)開展研究、設計工作，才有了“云霄塔”及與之相配的“佩刀”。“佩刀”發(fā)動機較RB545更復雜，增加了氦回路將氫氣流與空氣流分離，冷卻性能更佳。

2013年7月，英國政府投資6000萬英鎊給反作用發(fā)動機公司，繼續(xù)支持“佩刀”發(fā)動機的發(fā)展。2013年8月，歐洲航天局（ESA）與其簽訂了100萬歐元的合同，研究基于“佩刀”發(fā)動機的“云霄塔”天地往返運輸系統(tǒng)；2013年10月，英國政府宣布增加投資3.6億英鎊，研發(fā)全尺寸“佩刀”發(fā)動機；2014年1月，美國空軍研究實驗室（AFRL）與反作用發(fā)動機公司達成了“合作研究與發(fā)展協(xié)議”（CRADA），由美國空軍制計劃，利用計算機對“佩刀”發(fā)動機建模，以驗證其可行性。2015年2月，反作用發(fā)動機公司完成了“佩刀”發(fā)動機的初步需求評審，計劃在2020年前完成全尺寸試驗發(fā)動機的演示驗證。2015年4月，AFRL正式確認了“佩刀”發(fā)動機概念的可行性。AFRL經過研究檢驗了“佩刀”方案的熱力循環(huán)，認為該發(fā)動機部件和集成所涉及的理論可行性不存在顯著障礙。反作用發(fā)動機公司和AFRL接下來將制訂相關計劃，進一步就“佩刀”發(fā)動機開展合作，合作內容包括研究基于“佩刀”衍生推進系統(tǒng)的飛行器概念、“佩刀”發(fā)動機部件測試、反作用發(fā)動機公司熱交換器技術的國防應用探索等內容。

工作原理與技術特點

“佩刀”發(fā)動機是在液化空氣循環(huán)發(fā)動機（LACE）和RB545發(fā)動機方案基礎上，通過增設氦氣回路，并加裝高效輕質冷卻器而形成的一種新概念發(fā)動機，它解決了氫燃料利用率低、空氣液化分離裝置復雜且笨重、氫脆等問題，實質上是一種傳統(tǒng)的渦輪發(fā)動機轉子部件、沖壓發(fā)動機和火箭發(fā)動機的組合?！芭宓丁卑l(fā)動機包含外涵流道和內涵流道。外涵流道主要由進氣道和外涵沖壓燃燒室組成，內涵流道主要由換熱器、空氣壓氣機、空氣壓氣機驅動渦輪、液氧泵、液氧泵驅動渦輪、液氫泵、液氫泵驅動渦輪、氦渦輪、預燃室、火箭燃燒室等部件組成。

“佩刀”發(fā)動機結合了吸氣式發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機的特點。吸氣式發(fā)動機在大氣層內能夠有效利用空氣中的氧氣作為氧化劑，比沖較高；火箭發(fā)動機自帶氧化劑，能夠實現(xiàn)入軌飛行?！芭宓丁卑l(fā)動機結合了兩者優(yōu)勢，在大氣層內以吸氣式模式工作，當飛行速度達到Ma 5，高度升至26km時轉為火箭發(fā)動機模式，利用所帶的液氫液氧，繼續(xù)加速至Ma 25以上，將飛行器推送到300km高度的近地軌道。

吸入進氣道的空氣在進入壓氣機之前，氣流在進氣道通過預冷卻器冷卻至低溫，在氣流壓縮后被分開，部分氣流流入主燃燒室，其余氣流流入預燃燒室。來自預燃燒室的高溫燃氣流經熱交換器HX3，提升氦氣出口溫度（從預冷器溫度升至渦輪入口常溫）。隨后，預燃燒室內的燃氣在膨脹穿過排氣噴管之前，流入主燃燒室完成與剩余空氣的燃燒。流經熱交換器HX3的氦氣膨脹，通過主驅動渦輪機來驅動空氣壓縮機，使得氦氣流至熱交換器HX4，由液氫泵輸送的液氫冷卻。低溫氦氣隨后流至循環(huán)器，經過預冷器再流經整個循環(huán)。流經熱交換器HX4后的溫暖氫氣驅動液氫渦輪泵，在進入預燃器之前驅動氦氣循環(huán)器。變換工作模式時，空氣進氣道關閉，渦輪壓縮機開始關閉，液氧渦輪泵啟動。在火箭發(fā)動機工作模式下，預燃室溫度降低，降低了對液氧渦輪泵的動力要求。

“佩刀”發(fā)動機的特點是：工作包線大，飛行高度涵蓋空天，大氣層內飛行速度范圍到Ma 5，大氣層外速度在Ma 20以上；推重比和比沖具有優(yōu)勢?！芭宓丁卑l(fā)動機相比其他的高超聲速動力形式，推重比是最高的（Ma 2時推重比為9～14；Ma 5時推重比為6），在整個飛行馬赫數(shù)范圍內比沖都高于火箭發(fā)動機。“佩刀”這款單一發(fā)動機即可實現(xiàn)多種發(fā)動機（或組合循環(huán)發(fā)動機）才能完成的工作，燃料消耗少，從而降低起飛總重。

關鍵技術

“佩刀”發(fā)動機結合了渦輪發(fā)動機部件、沖壓發(fā)動機與火箭發(fā)動機的特點，增加了熱交換器和多個冷卻回路，核心技術涵蓋渦輪機械、火箭動力和熱交換器等多個領域，但最核心的技術是熱交換器技術。

“佩刀”發(fā)動機采用的是密集管路式熱交換器，形式上與傳統(tǒng)熱交換器無差別?！芭宓丁卑l(fā)動機共有4個熱交換器：預冷卻器HX1和HX2用于冷卻來流空氣，同時對氦氣加熱，需要具有高換熱效率、低流阻、輕質量的特點。預冷卻器采用一種高效的逆流設計，由數(shù)千個小口徑薄壁管組成。低溫氦氣流在管中流動，同時熱空氣流排列于外部的橫向氣流中。由于兩種液流間存在較高的壓差，因而光滑管采用了最輕的矩陣設計方案。另外兩個熱交換器HX3和HX4分別是氦氣與預燃室高溫燃氣的換熱器以及液氫與氦氣的熱交換器。通過公布的“佩刀”發(fā)動機熱交換器研制試驗情況資料看，其具備如下能力：一是換熱能力強；二是微型管路的制造工藝技術；三是結霜控制技術，組織空氣中的水蒸氣結霜、結冰、防止預冷器管道被堵死。

反作用發(fā)動機公司對熱交換器的研制從20世紀90年代開始。該公司在布里斯托爾大學成功進行了實驗室級別的熱交換器試驗，冷卻超過900℃的空氣，達到了1GW/m的功率密度級別，此項工作為后續(xù)研究奠定了基礎。2001年，首個采用鎳718管路制造的熱交換器模塊開始進行風洞試驗，驗證控制結霜能力。

2004年，反作用發(fā)動機公司制造出首個“佩刀”發(fā)動機用預冷卻器模塊，同時進一步研究預冷卻器工藝和焊接技術。此外，該公司還制造了原型機生產線用以驗證預冷卻器模塊的商業(yè)可行性。2005年，結霜控制研究成功；2007年，預冷卻器裝到渦輪噴氣發(fā)動機前端進行試驗。

2012年，反作用發(fā)動機公司進行了全尺寸佩刀發(fā)動機預冷卻器的試驗，利用一臺渦噴發(fā)動機驗證預冷卻器的熱交換性能。試驗采用了50km長度的管路，重量不足50kg，管路直徑約1mm、壁厚為27μm，實現(xiàn)了在0.01s內將進氣道1000℃以上的來流空氣溫度降低到-150℃的目標，這標志著“佩刀”發(fā)動機的關鍵技術取得重大突破。反作用發(fā)動機公司成功對預冷卻器進行了結霜控制，但防結霜系統(tǒng)的細節(jié)高度保密。

2015年，反作用發(fā)動機公司表示預冷卻器的性能比預期要好。目前已經完成了700多次地面試驗，包括外物吸入試驗等。該公司估計目前預冷卻器的技術成熟度（TRL）已經達到了5級。

應用潛力分析

“佩刀”發(fā)動機能夠實現(xiàn)飛行器的水平起降和單級入軌，在軍事和民用方面具備很多應用潛力?！芭宓丁卑l(fā)動機適合作為空天往返飛行器動力。以“佩刀”為動力的空天往返飛行器可用于執(zhí)行空天運載，實施衛(wèi)星和空間望遠鏡部署、捕獲，空間站對接及全球范圍內的應急快速偵察監(jiān)視任務，實現(xiàn)與美國正開展的X-37B項目類似的功能，但進出空間的方式較X-37B大為簡化。此外，AFRL對“佩刀”發(fā)動機的循環(huán)方式進行驗證之后，表示目前正在考慮能夠使用“佩刀”發(fā)動機的高超聲速飛行器，這表明美國也在關注其軍事應用的可能性。

“佩刀”發(fā)動機可用于Ma 5一級的高超聲速運輸機（如載客人數(shù)300人的客機，可實現(xiàn)4h飛抵地球任意地點）。反作用發(fā)動機公司還在“佩刀”發(fā)動機基礎上衍生發(fā)展了預冷卻空氣吸氣式發(fā)動機——“彎刀”（Scimitar），應用對象是長期先進推進技術概念研究（LAPCAT）計劃中的民用高超聲速運輸機?！皬澋丁卑l(fā)動機利用了“佩刀”發(fā)動機預冷卻技術研究成果，簡化了熱力循環(huán)，具有良好的超聲速和亞聲速性能，適合作為Ma 5一級的高超聲速運輸機的動力。

“佩刀”發(fā)動機的熱交換器技術在軍民用市場均有著廣闊的應用前景。預冷卻器可用于擴展傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的包線，由此發(fā)展的高速渦輪發(fā)動機可以作為吸氣式組合動力的重要組成部分；換熱器可用于亞聲速渦輪風扇發(fā)動機的間冷/回熱器，降低油耗，提高推進效率。同時，熱交換器技術還可以推動民用制冷技術的革新和發(fā)展，帶來巨大的經濟效益和環(huán)保效益。

總結

適用于空天飛行器的吸氣式高超聲速動力有渦輪基組合動力、火箭基組合動力、“三合一”組合動力、預冷卻高速渦輪噴氣發(fā)動機等多種技術路線，“佩刀”發(fā)動機采用的熱力循環(huán)方式能夠實現(xiàn)飛行器的水平起降單級入軌，具有獨特的技術優(yōu)勢；特別是熱交換器技術可用于擴展傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的包線，解決渦輪基組合動力中的速度銜接問題。

“佩刀”發(fā)動機的首次應用鎖定為單級入軌仍然存在很大的技術風險。當前美國和其他國家探索的空天飛行器基本為兩級入軌，兩級入軌是一段時間內進出空天的較為可行的方式；此外，“佩刀”發(fā)動機的不足之處還包括采用氫燃料，燃料經濟性較渦輪沖壓組合發(fā)動機差，軍事應用時武器和平臺的航程無法保證，保障性差，在作為臨近空間高超聲速飛機和運輸平臺的動力方面存在制約。（ 張東寶）

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