组合发动机技术或可将轨道运输成本降低九成

2017-09-01 15:37:00 环球网 分享
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  作者:李嵩

  【环球网军事报道】8 月24 日,中国航天第三专业信息网第38 届技术交流会暨第二届空天动力联合会议在大连市拉开帷幕。在这次动力系统唱主角的盛会上,组合发动机成为大家讨论的热点。那么,组合发动机到底有什么“过人之处”?未来的发展路径又是什么呢?

  需求催生组合发动机

  众所周知,轨道运输价格高昂的原因:一是源于有效载荷小,运载火箭绝大部分推力都浪费在了运输自身燃料上;二是源于单次使用,多级火箭都是用完后就抛弃。

  如果可以充分利用大气层中的氧气,就可以减少氧化剂的携带量;如果运载器可以重复使用,就可以分摊单次发射的成本。于是,两级入轨方案甚至单级入轨方案便应运而生。

  两级入轨飞行器由一级大气层内运载器和二级轨道运载器组成。一级运载器是使用吸气式组合发动机的运输机,将轨道运载器加速送达高空后返回,之后二级轨道运载器继续加速爬升将有效载荷送入轨道后再返回地面。而单级入轨飞行器则直接通过组合发动机驱动从地面起飞,将载荷送入轨道后返回。

  想要实现两级入轨甚至单级入轨就需要在不同大气环境和极宽速度范围内都具有很高工作效率的喷气发动机。

  但现有的几种喷气式发动机都有明显的使用边界,优点和缺点共存。

  火箭发动机虽然力大无穷又迅捷无比,在大气层和外部空间都能工作,但是燃料的消耗量太大,加上内部工作环境比较恶劣,导致工作时间和工作寿命都不长,经济性很差。

  涡轮喷气发动机可以在中低速飞行时,长时间工作和重复使用,经济性很好,但其复杂的增压机构限制了其飞行速度和飞行高度的上限。

  冲压发动机是高空、高速、远距离飞行的理想动力装置。但冲压发动机的独特压缩形式使其只能在高速下工作,这就需要有额外的动力装置来为它加速,高速飞行带来的热防护和热疲劳问题也限制了它的使用和推广。

  想要便捷、经济地实现天地往返运输,就需要将这几种喷气发动机的优点结合起来,使它们取长补短在各自擅长的领域发挥最大效能,于是组合发动机概念便诞生了。

  早在上世纪80年代,世界主要航天技术强国都推出了各自的两级/单级入轨飞行器的发展计划,比较知名的有美国的国家空天飞机计划、英国的霍托尔计划和德国的桑格尔计划等。

  百花齐放的组合发动机

  涡轮-冲压组合发动机弥补了涡轮发动机高速时效率低下和冲压发动机不能零速启动的缺点。涡轮发动机负责在水平起降和在中低空飞行时提供动力,并将冲压发动机加速到启动速度,冲压发动机则负责在高空高速飞行时提供动力。

  如何解决涡轮发动机和冲压发动机“接力”时的“推力陷阱”问题是这一组合方案的难题。

  法国在涡轮-冲压组合发动机领域的研究开始得最早,其技术验证机——“狮鹫Ⅱ”在1959年就创造了载人吸气式飞机的速度世界纪录。比较著名的美国SR-71战略侦察机同样也使用了涡轮-冲压组合发动机,由此可见这种发动机在速度方面的巨大优势。

  火箭-冲压组合发动机将火箭发动机与双模态冲压发动机组合在一起,适合作为两级入轨方案中轨道运载器的动力。这种方式可以大大节省燃料,但目前这种双模态冲压发动机技术成熟度还有待继续提高。

  协同式吸气火箭发动机(英文缩写与“佩刀”的单词相同,因此也叫做佩刀发动机)是目前唯一在研制的单级入轨动力装置。这种发动机在气流压缩过程中使用深度预冷技术,大幅地降低了来流温度,从而拓宽了涡轮发动机的工作范围。难点在于预冷器的研发。目前,已经完成了毛细冷却管制造技术和低温霜冻堵塞控制技术的攻关。

  强劲需求带动快速发展

  高昂的发射成本阻碍了人类大规模进入空间的脚步,但不变的飞天梦却激发了人类更多的创新灵感。组合发动机技术的成熟将有望大幅降低轨道运输成本,单次发射费用将会降至目前水平的10%,甚至更低,不但可以加快人类空间探索的步伐,还可以实现普通人的太空旅行梦想。

  组合发动机将使人类的航空领域从底层大气拓展到临近空间。那里空气稀薄,更适合高速飞行,可以实现快速到达和打击、侦察距离近于卫星,并位于目前所有防空武器的打击范围之外,蕴含着巨大的潜在军事价值。

  近些年,世界各国加大了组合发动机和临近空间高速飞行器的研发投入力度。美国的SR-72高超声速飞行器使用涡轮-冲压发动机组合动力,计划将于2018年进入验证机开发阶段。英国的云霄塔轨道运载器最大限度地继承了霍托尔计划的遗产,是目前唯一在研的单级入轨飞行器,随着佩刀发动机的逐渐成熟,“云霄塔”的首飞也已经列入正式计划。

  组合发动机还将大幅缩短洲际旅行的时间。到那个时候,如果查尔斯•林白依然健在,只需要不到2小时就可以从纽约飞抵巴黎,世界各国间的联系会更加紧密,也将进一步加速全球化的进程。

  组合发动机目前还处于单项发动机技术的研究与攻关阶段,主要包括高速涡轮基技术、亚燃/超燃冲压发动机技术、可重复使用火箭发动机技术、飞行器/发动机一体化设计技术和热防护技术五项,技术成熟度都还难以满足工程应用的要求。

  但正如佩刀发动机项目现任技术总监里瓦•威尔所说:“实现太空之旅的梦想耗资巨大,但是没有那一条物理定律说必须以某种方式实现这一梦想,我们需要证明那条道路是可行的”。有人类的飞天梦想作为驱动,组合发动机终将彻底改变人类太空旅行的方式。

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责编:刘昆
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