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來源：高端裝備發(fā)展研究中心

導(dǎo)讀

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項(xiàng)目背景

“佩刀”發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)理念的起源來自于英國“霍托爾”空天飛機(jī)方案的RB-545發(fā)動機(jī)。1982年，英國提出“霍托爾”空天飛機(jī)方案，旨在降低有效載荷入軌成本。該方案是第一個可飛至低地球軌道且完全可重復(fù)使用的單級入軌運(yùn)載器方案，主要用于衛(wèi)星發(fā)射和回收?！盎敉袪枴狈桨缸罹邉?chuàng)新的部分是采用了RB-545發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)以液氫為燃料，在吸氣式工作過程中液化空氣循環(huán)，利用空氣中的氧降低空天飛機(jī)攜帶液氧的質(zhì)量。1989年“霍托爾”空天飛機(jī)計(jì)劃終止后，羅羅公司3名“霍托爾”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員成立了REL公司，繼承“霍托爾”項(xiàng)目研究成果，并在“液態(tài)空氣循環(huán)”發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上提出“佩刀”發(fā)動機(jī)方案。

項(xiàng)目的發(fā)展

“佩刀”發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)理念一經(jīng)提出就受到了廣泛的質(zhì)疑。彼時以航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)為代表的液氫液氧發(fā)動機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用性能，以NK-33、RD-170發(fā)動機(jī)為代表液氧煤油發(fā)動機(jī)同樣具備可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)?！芭宓丁卑l(fā)動機(jī)以渦輪發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和氫氧火箭發(fā)動機(jī)的組合形式出現(xiàn)，這種形式在當(dāng)時看似是天馬行空、不著邊際。

首先渦輪發(fā)動機(jī)在工作時空氣是在進(jìn)氣道被減速，同時壓力和溫度升高，如果要推動飛行器以超過5倍及以上的音速飛行，那么這個溫度是壓氣機(jī)葉片所承受不了的，并且空氣在進(jìn)氣道的壓氣比（空氣被壓縮后與壓縮前之比）要高出壓氣機(jī)中的壓氣比十幾倍二十幾倍，這時沒有壓氣機(jī)反而更好，單靠速度沖壓，所以就有了沖壓發(fā)動機(jī)。而渦輪發(fā)動機(jī)一般在低于3馬赫時效率最好，在5馬赫以上現(xiàn)在普遍用沖壓發(fā)動機(jī)，但是沖壓發(fā)動機(jī)必須借助于助推器使速度達(dá)到能夠啟動時才能工作。但是如何將渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)組合起來，這在當(dāng)時就是制約的瓶頸之一。除此之外，還有諸多難點(diǎn)在當(dāng)時的技術(shù)水平條件下是無法解決的，因此“佩刀”發(fā)動機(jī)的發(fā)展前景被蒙上了一層陰影。

英國Reaction Engines Ltd公司面對諸多難題，通過近30年的研究突破，將“佩刀”發(fā)動機(jī)的概念一步步變成了現(xiàn)實(shí)。下面對Reaction Engines Ltd公司的研制工作做了梳理：

項(xiàng)目的成果

2015年4月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室正式確定了“佩刀”發(fā)動機(jī)概念的可行性?！芭宓丁卑l(fā)動機(jī)由此以成熟的姿態(tài)走入人們的視野。那么不走尋常路的“佩刀”發(fā)動機(jī)是什么原理呢？

“佩刀”發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上由渦輪發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和氫氧火箭發(fā)動機(jī)組成，具有吸氣和火箭兩種工作模式，能夠?qū)w行器從靜止?fàn)顟B(tài)無縫加速到入軌速度。在稠密大氣層低速（Ma5.5以下，28千米以下）飛行時，采用“渦輪為主、沖壓為輔”的吸氣工作模式，相比一般渦輪、沖壓組合發(fā)動機(jī)，“佩刀”發(fā)動機(jī)在比沖基本相當(dāng)?shù)那闆r下，推重比有較為明顯的優(yōu)勢（Ma2-5.5，推重比比傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)高25%-100%）。在高空高速（Ma5.5以上，28千米以上）飛行時，“佩刀”發(fā)動機(jī)采用在氫氧火箭工作模式，將飛行器加速到入軌速度?！芭宓丁卑l(fā)動機(jī)兩種工作模式共用渦輪泵、可調(diào)尾噴管等關(guān)鍵部件，有效降低發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

“佩刀”發(fā)動機(jī)循環(huán)（不包括外函道流場）如下圖所示。在吸氣式模式下，空氣由進(jìn)氣道吸入，通過一套簡單的雙激波錐形系統(tǒng)減速。在飛行達(dá)到馬赫數(shù)5時，發(fā)動機(jī)吸入并減速后的氣流駐點(diǎn)溫度達(dá)到950℃。隨后，氣流被分為兩部分，其中一部分通過預(yù)冷器進(jìn)入發(fā)動機(jī)核心機(jī)，而另一部分氣流則通過周圍的溢流管繞過核心機(jī)（這部分氣流未在圖中顯示）。一個高壓縮比（約為150∶1）渦輪壓氣機(jī)將空氣壓縮并輸送至火箭燃燒室。為了最小化動力需求同時達(dá)到理想的壓氣機(jī)出口溫度，必須對來流進(jìn)行冷卻。在高馬赫數(shù)飛行狀態(tài)下，這一過程更為重要。冷卻過程在預(yù)冷器中通過低溫高比熱氫燃料實(shí)現(xiàn)。

在“佩刀”發(fā)動機(jī)內(nèi)，引入一套氦循環(huán)作為熱空氣和低溫氫燃料之間的媒介，通過這一過渡體系可以實(shí)現(xiàn)高效率的熱傳導(dǎo)，并能有效消除預(yù)冷器中的氫脆現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)冷器出口溫度應(yīng)保持在－130℃左右。在這一循環(huán)中，通過使用氦循環(huán)能量驅(qū)動渦輪壓氣機(jī)將來流的一部分焓轉(zhuǎn)換為功，將傳遞給氫燃料的熱量消耗掉，進(jìn)而減小冷卻所需的氫燃料量。此外，氦循環(huán)媒介的壓縮比由于其高比熱而降到最低。當(dāng)飛行器速度達(dá)到馬赫數(shù)5以上時，“佩刀”發(fā)動機(jī)的工作模式從吸氣式轉(zhuǎn)為火箭助推。盡管進(jìn)氣道和預(yù)冷器在這一過程中不再發(fā)揮作用，但氦循環(huán)仍持續(xù)工作，同時整個發(fā)動機(jī)變?yōu)殚]環(huán)氫氧火箭發(fā)動機(jī)。

如前所述，“佩刀”發(fā)動機(jī)的空氣、氫、氧及氦循環(huán)系統(tǒng)具有理論上很高的可行性。但結(jié)合工程實(shí)際，其預(yù)冷器的熱交換器組件便成為了一個復(fù)雜的問題。“佩刀”發(fā)動機(jī)預(yù)冷器呈螺旋狀，由大量金屬管組成，這些微管道增大與空氣接觸的面積，提高熱交換效率，可以有效冷卻來流。其不足之處在于發(fā)動機(jī)吸入的高速氣流經(jīng)過熱交換器時，動能會有明顯損失。氣流經(jīng)過前排管道時尚能維持層流狀態(tài)，僅在緊貼管道的下風(fēng)區(qū)域形成小范圍分離渦。但在后排管道附近，氣流已經(jīng)明顯轉(zhuǎn)捩為湍流。但進(jìn)入發(fā)動機(jī)核心機(jī)的氣流溫度通過預(yù)冷器后得到了大幅降低，彌補(bǔ)了總壓損失，使得這一過程得以在“佩刀”發(fā)動機(jī)上有效應(yīng)用。

但是微管道的制造和焊接的要求非常高，必須實(shí)現(xiàn)幾乎零泄漏。按照Reaction Engines Ltd公司的設(shè)想，未來將被用在“佩刀”發(fā)動機(jī)上的預(yù)冷器微管道直徑1mm，微管道壁厚20μm，采用高溫真空銅焊技術(shù)完成超過一百萬個密封接頭的焊接，總傳熱量大于400MW。預(yù)冷器質(zhì)量將會被控制在約1噸以內(nèi)。

預(yù)冷器還要進(jìn)行霜凍控制，當(dāng)飛行在12000米以下時，吸入的氣流會被冷卻到零度以下。氣流中的水蒸氣會迅速液化、凝結(jié)成霜，附著在管道表面，阻塞通道，從而降低了熱交換效率。Reaction Engines Ltd公司通過研究，以改變冷卻劑的溫度來實(shí)現(xiàn)霜凍控制。他們實(shí)現(xiàn)了在冷卻了的空氣為-80℃時，預(yù)冷器微管道中維持100%相對濕度和恒定壓降8分鐘，完全能夠滿足飛行器4分鐘入軌過程的霜凍控制。在2012年，Reaction Engines Ltd公司采用鎳鉻鐵718合金制造的全尺寸預(yù)冷器裝在了一臺羅爾斯·羅伊斯Viper MK.522小型渦噴發(fā)動機(jī)前段進(jìn)行了地面試驗(yàn)，這次用于地面試驗(yàn)的預(yù)冷器微管道總長50km，直徑約1mm，壁厚為27μm。預(yù)冷器質(zhì)量在50kg以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在20ms內(nèi)將1000℃以上的氣流溫度降低到-150℃的目標(biāo)。由此解決了“佩刀”發(fā)動機(jī)最為困擾的預(yù)冷器問題。

“佩刀”發(fā)動機(jī)目前已受到廣泛的認(rèn)可，其未來可用于高超聲速飛機(jī)、兩級或單級入軌空天飛機(jī)，英國BAE系統(tǒng)公司于2016年7月發(fā)布了基于“佩刀”發(fā)動機(jī)的高超聲速快速響應(yīng)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)方案及作戰(zhàn)應(yīng)用設(shè)想。該機(jī)采用鴨式氣動布局、頭部進(jìn)氣道、小展弦比機(jī)翼，采用單臺“佩刀”發(fā)動機(jī)，飛行速度可達(dá)Ma5，載荷艙置于翼梢，可攜帶炸彈、無人機(jī)等載荷，主要執(zhí)行快速物資補(bǔ)給、載荷（無人機(jī)）投送以及精確偵察和信息支援等任務(wù)。

“云霄塔”（Skylon）空天飛機(jī)同樣采用“佩刀”發(fā)動機(jī)作為動力?！霸葡鏊痹O(shè)想能夠像常規(guī)飛機(jī)一樣從機(jī)場跑道上起飛，采用吸氣模式加速至Ma5.4以及26千米高度后，兩臺“佩刀”發(fā)動機(jī)切換至純火箭模式以達(dá)到入軌高度。

“佩刀”發(fā)動機(jī)的成功研制表明了組合發(fā)動機(jī)的可行性。雖然傳統(tǒng)的液氧煤油發(fā)動機(jī)和液氧甲烷發(fā)動機(jī)能夠滿足可重復(fù)使用，但是其重復(fù)使用次數(shù)和維護(hù)成本仍受到相應(yīng)的限制。相比之下組合動力將航空發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)外的接力或協(xié)同工作，滿足飛行器快速、便捷進(jìn)出空間要求。組合動力是未來空天技術(shù)融合發(fā)展的必然趨勢，是實(shí)現(xiàn)飛行器水平起降天地往返的最可行的動力方案，也是我國需要發(fā)揮優(yōu)勢資源長遠(yuǎn)布局的研究工作。

主要參考資料：

1 SABRE ENGINE: Single Stage to Orbit Rocket Engine _Rupesh Aggarwa, Khushin Lakhara, 

2佩刀_發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)展分析_張連慶

3 SKYLON飛行器與SABRE發(fā)動機(jī)研究_牛文

4英國空天飛機(jī)“云霄塔”的心臟——“佩刀”發(fā)動機(jī)詳解

5詳解“佩刀”發(fā)動機(jī)在高超聲速領(lǐng)域的應(yīng)用

6“佩刀”協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展