30年稳扎稳打,协同吸气式火箭发动机“佩刀”即将冲破云霄

在飞行器动力追求突破的进程中,英国天才工程师艾伦·邦德(Alan Bond)和他提出的协同吸气式火箭发动机“佩刀”(synergetic air breathing rocket engine,SABRE)发动机具有创新性,也取得了重要进展。“佩刀”(SABRE)发动机结合了涡轮发动机、火箭发动机和冲压发动机的特点,是一款创新性的协同吸气式火箭发动机。

范思儀等人于2020年《科技导报》第12期刊发了《艾伦·邦德和“佩刀”发动机》一文,文章通过回顾艾伦·邦德在“佩刀”发动机研发中发挥的作用,介绍了“佩刀”发动机组成和采用的新技术,分析了吸气式和火箭式两种工作模态及相应工作原理,展望了“佩刀”发动机广泛的应用前景。

1 不断积累经验“佩刀”汲取“营养”
艾伦·邦德作为英国的喷气发动机有限公司(Reaction Engine Limited,REL)的创始人,现任首席工程师,是一位富有创造力并极具天赋的工程师。艾伦·邦德早期从事液体火箭发动机研究,主要研究了RZ2液氧煤油发动机以及RZ20液氢液氧发动机,在此期间参与了Blue Streak导弹在Woomera的飞行试验工作。之后20年时间,在英国原子能协会(UK Atomic Energy Authority)的Culham实验室从事核聚变研究,参与了JET、RFX核研究计划。这期间,艾伦·邦德主要从事核聚变在星际旅行中的应用研究。他主持完成了Daedalus核聚变动力恒星飞船计划报告,并由英国星际航行学会(British Interplanetary Society)出版。

这一切都为“佩刀”发动机的诞生积累了丰富的经验。

2 不甘HOTOL夭折 “佩刀”应运诞生

1982年,艾伦·邦德开始了先进航天运载系统的研究。当时国际上比较热门的吸气式动力形式包括:涡轮冲压动力(turboramjet)、液化空气循环发动机(liquid air cycle engine,LACE)以及超燃冲压发动机(scramjet)。在当时,很多人认为吸气式动力技术将解决单级入轨问题,但各类动力方案皆有不足之处。于是,艾伦·邦德通过改进液化空气循环发动机(LACE,图1),结合涡轮发动机及火箭发动机特点,提出了一种新的发动机循环。

图1   液化空气循环发动机(LACE)结构示意

图1   液化空气循环发动机(LACE)结构示意

采用这种新型循环的发动机叫做RB545“燕子”吸气式火箭发动机,其循环模式如图2所示。

图2   RB545发动机简化循环示意

图2   RB545发动机简化循环示意

最初在英国政府的支持下,罗尔斯-罗伊斯公司和英国宇航公司共同投资,合作开展HOTOL空天飞机及RB545发动机的研制。但最终由于国际形势的变化和英国政府中断投资,1988年,HOTOL计划被迫终止。

图3   艾伦·邦德(左一)

图3   艾伦·邦德(左一)

1989年,艾伦·邦德(图3,左一)不甘于HOTOL计划的夭折,与2名火箭工程师一同成立了REL,并自筹资金继续对HOTOL计划中的技术问题进行攻关研究。“佩刀”发动机由此诞生。“佩刀”发动机(图4)分成核心机和机舱两部分。

30年稳扎稳打,协同吸气式火箭发动机“佩刀”即将冲破云霄

图4   “佩刀”发动机

“佩刀”发动机以氢氧火箭发动机为核心,利用了航空燃气涡轮发动机的进气道和压气机技术、亚燃冲压发动机技术以及闭式氦气布雷顿循环技术,是4种技术的有机结合。为提高发动机效率,“佩刀”发动机在原RB545发动机循环中引入了第三流体循环——氦循环,利用液氢冷却氦气,再利用低温氦冷却来流。“佩刀”发动机工作模态分为吸气式模态(Ma 0~5)和火箭模态(Ma 5+)。

图5   “佩刀”发动机吸气式模态循环

图5   “佩刀”发动机吸气式模态循环

吸气式模态循环如图5所示,来流空气经过进气道后,分成核心机空气路和外涵道空气路两部分。

图6   “佩刀”发动机火箭模态循环

图6   “佩刀”发动机火箭模态循环

火箭模态如图6所示,此时进气道关闭,无空气进入发动机,预冷器不再冷却空气,预冷器内仅有低温氦气流过,空气涡轮压气机停转,发动机的外涵道不再工作。

3 步步稳扎稳打“佩刀”逐渐成长

1990年,REL开展了“佩刀”发动机的研制工作。2003年,REL在布里斯托大学研究成果基础上,突破了预冷器霜控技术。2009年,REL启动“涡轮基组合吸气式火箭发动机关键技术实验研究”项目(Experimental Investigation of Key Technologies for a Turbine Based Combined Rocket Engine),该项目获得了欧洲空间局(ESA)英国分部的部分支持,并通过3个阶段完成“佩刀”发动机关键技术的攻关。在第1阶段(2009—2011年),REL联合英国宇航系统公司(BAE)和德国航天局(DLR),开展了氧化剂冷却燃烧室技术、先进膨胀偏转喷管技术、预冷器模块研究。在第2阶段(2011—2013年),通过一系列风洞实验,验证了变几何进气道理论模型;在2012成功将空气无霜冷却至-150℃,ESA对试验结果给予官方评价:“预冷器设计目标已全部成功实现,该试验验证了研制‘佩刀’发动机所需的关键技术。”2013年,成功完成了“佩刀”发动机核心部件预冷器的全尺寸演示验证试验,至此概念论证阶段工作全部完成。预冷器技术可使“佩刀”发动机在Ma 5条件下以吸气模式工作。自此,REL的工作重心逐渐由关键技术验证转向发动机设计及研制阶段,并将进行“佩刀”吸气式循环的首次地面演示验证试验。经过了前两个阶段的技术验证,艾伦·邦德带领的研制团队掌握了“佩刀-3”发动机的全部技术,并根据20多年来的发动机研制经验,提出了改进型的“佩刀-4”发动机循环。与“佩刀-3”发动机相比,“佩刀-4”发动机使用一个能降燃料消耗的双喉部喷管。该改动带来了质量、部件数量以及成本的增加,但是,却使发动机研制的技术难度降低,吸气式发动机及火箭发动机能各自独立发展。并且,由于预冷器出口温度比“佩刀-3”发动机高,不再需要霜控系统在第三阶段(2013—2016年),REL开展了SCEPTRE地面静态演示验证发动机项目,采用氖作为第三工质,验证“佩刀”发动机循环,并开展舱体试验飞行器(Nacelle Test Vehicle,NTV)项目,验证可调进气系统,完成与飞行条件的匹配。

4 即将冲破云霄 “佩刀”未来光明

为了完成“佩刀”发动机的研制,REL扩展了与其他工业单位的合作关系,也吸引了更多人才。其中,美国空军实验室在“佩刀”发动机评估分析中指出佩刀发动机具有较好的发展潜力,获得了美国空军试验室的认可,达成合作共识。目前,航天发射多向可重复运载系统发展,“佩刀”发动机是单级入轨空天飞行器的理想选择,采用“佩刀”发动机的飞行器甚至可以进行航线运营实现亚轨道点对点旅行。因此,“佩刀”发动机的应用方向可包括高超声速飞行器和两级或单级入轨的空天飞机,未来应用前景广泛。 [本文作者:范思儀,郑思行,秦云鹏,胡鹏举,费王华 作者简介:范思儀,中国运载火箭技术研究院研究发展部,助理工程师,研究方向为结构总体设计。]

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