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“佩刀”为天地往返提供新动力

时间:2015年12月01日 信息来源:《国际太空》 点击: 【字体:


最近,美国空军研究实验室(AFRL)完成了对英国反应发动机公司(REL)的“协同吸气式火箭发动机”(SABRE,简称“佩刀”)技术可行性的评估。美国空军研究实验室认为,“佩刀”是一项有吸引力的技术,它在技术上可行,并可能会在两级入轨火箭或国防应用中更早地应用。美国空军研究实验室的评估并不包括建造反应发动机公司的“云霄塔”(Skylon)空天飞机将需要多少投资。该实验室项目经理巴里•赫尔曼表示,分析已证实了“佩刀”发动机循环的可行性和潜在性能。赫尔曼称,接下来要回答的问题是,与其他推进系统相比,“佩刀”可为高速空天飞行器带来哪些优势?


“佩刀”发动机


早在2014年1月,美国空军研究实验室就与英国反应发动机公司签署了“合作研究与发展协议(CRADA)。当时,该实验室就分析检验了“佩刀”概念的热力循环,认为该发动机部件和集成所涉及的理论可行性不存在显著障碍。这次美国空军研究实验室正式公布对“佩刀”的评估结果,表示美国空军将进一步扩大与英国反应发动机公司的合作,也表示美国空军在继续发展超燃冲压发动机之外,对于高超声速飞行器的发动机有了新的选择。

 “佩刀”发动机的诞生可以追溯到20世纪80年代中期。那时许多国家,为了降低天地往返运输的费用,纷纷提出了多种水平起降的空天飞机的方案,其中最著名的是英国采用预冷式吸气火箭的“霍托尔”(HOTOL)、美国采用超燃冲压发动机的“东方快车”(NASP)和德国采用涡轮冲压发动机的“桑格尔”(SANGER)。在这些方案中,最关键的是其动力系统各不相同。到了20世纪90年代,这3个国家的空天飞机相继下马,但英国曾参与“霍托尔”研制的3名主力艾伦•邦德(Alan Bond)、理查德•瓦威尔(Richard Varvill)和约翰•斯科特(John Scott)仍然坚持前行,并于1989年成立了英国反应发动机公司,自筹资金,低调实施“云霄塔”空天飞机计划。“云霄塔”的设计目标是达到每次运行的费用下降到1000万美元。“云霄塔”继承了“霍托尔”已取得的成果,但在机体结构和发动机等方面,进行了大量的技术创新,特别是在发展“佩刀”发动机方面,取得了重大进展。

“佩刀”发动机具有两种工作模式。在火箭模式下,发动机以闭循环液氧/液氢高比冲火箭发动机工作;在吸气模式下(从起飞阶段到马赫数大于5),液氧气流被大气中空气所代替,使发动机比冲增加了3~6倍。此时,空气流被吸入发动机,并在压缩之前被冷却至很低的温度。氢燃料在进入燃烧室之前作为闭循环氦回路的冷却剂,而冷却的氦气则用于冷却空气。这种发动机比起液化空气循环发动机(LACE)来,并没有将空气冷却成液体,从而节省能量。“佩刀”发动机的关键组成部分是预冷热交换系统,该系统能冷却从进气口吸入的空气。热交换系统由许多螺旋形缠绕的细小管道组成,空气通过热交换器时被管中流动的氦气冷却。反应发动机公司为此攻克了两项关键技术,其一是制造技术,他们采用了铬镍铁718合金管,孔径为0.98mm,厚度为40µm,它能确保良好的热交换性能而没有物理强度的降低。这种管道曾在20MPa、720℃被氧化1800h状态下,成功地通过了蠕变考核试验。其二是霜冻堵塞的控制技术。在0℃以下时,空气中的水蒸气,将在数秒内凝结并阻塞气流。“佩刀”发动机经过在一个专门建造的地面试验台上完成的100多次试验,证明它能在1/100s内将气流从1000℃冷却到-150℃,不会造成霜冻堵塞。


……


根据英国反应发动机公司的计划,“佩刀”发动机将在2019年进行首次飞行试验,到时安装这种发动机的试验飞行器,还不是其设想中的单级入轨的“云霄塔”空天飞机,而是一种飞行马赫数约为5的试验飞行器,这个速度的飞行器,可以用作客机,也可以发展成为两级入轨空天飞机的载机。当然,这家公司不会放弃研制成功“云霄塔”的长远目标。目前,“佩刀”发动机虽然在技术上已经取得较大突破,但要成功进行飞行试验,仍然还要攻克包括和飞行器进行匹配的许多难关。

英国人在研制“佩刀”发动机取得重大进展的事实告诉我们,一项创新的设想若要成功,一是贵在坚持,二是要能够争取到政府、业界和民众等各方面的支持。


(上文选自《国际太空》,详情请参阅该期刊。)



 

(作者:黄志澄)
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