「佩刀」協同吸氣式火箭發動機技術發展

英國「佩刀」協同吸氣式火箭發動機應用對象是「雲霄塔」空天飛行器。「雲霄塔」設計起飛總重325t，有效載荷15t，可用於執行空天運載，實施衛星和空間望遠鏡部署、捕獲和空間站對接等任務。

「佩刀」協同吸氣式火箭發動機和「雲霄塔」空天飛行器的前身分別是羅羅公司的RB545發動機和英國航空航天研究院1985年開始發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，羅羅公司於1989年停止研製RB545。隨後，RB545的發明人與其合伙人在同年創建反作用發動機公司，利用民間資金（據BBC報導佔85%）和部分政府資助繼續開展研究、設計工作，才有了「雲霄塔」及與之相配的「佩刀」。「佩刀」發動機較RB545更複雜，增加了氦迴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動機公司，繼續支持「佩刀」發動機的發展。2013年8月，歐洲航天局（ESA）與其籤訂了100萬歐元的合同，研究基於「佩刀」發動機的「雲霄塔」天地往返運輸系統；2013年10月，英國政府宣布增加投資3.6億英鎊，研發全尺寸「佩刀」發動機；2014年1月，美國空軍研究實驗室（AFRL）與反作用發動機公司達成了「合作研究與發展協議」（CRADA），由美國空軍制計劃，利用計算機對「佩刀」發動機建模，以驗證其可行性。2015年2月，反作用發動機公司完成了「佩刀」發動機的初步需求評審，計劃在2020年前完成全尺寸試驗發動機的演示驗證。2015年4月，AFRL正式確認了「佩刀」發動機概念的可行性。AFRL經過研究檢驗了「佩刀」方案的熱力循環，認為該發動機部件和集成所涉及的理論可行性不存在顯著障礙。反作用發動機公司和AFRL接下來將制訂相關計劃，進一步就「佩刀」發動機開展合作，合作內容包括研究基於「佩刀」衍生推進系統的飛行器概念、「佩刀」發動機部件測試、反作用發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」發動機是在液化空氣循環發動機（LACE）和RB545發動機方案基礎上，通過增設氦氣迴路，並加裝高效輕質冷卻器而形成的一種新概念發動機，它解決了氫燃料利用率低、空氣液化分離裝置複雜且笨重、氫脆等問題，實質上是一種傳統的渦輪發動機轉子部件、衝壓發動機和火箭發動機的組合。「佩刀」發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衝壓燃燒室組成，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」發動機結合了吸氣式發動機和液體火箭發動機的特點。吸氣式發動機在大氣層內能夠有效利用空氣中的氧氣作為氧化劑，比衝較高；火箭發動機自帶氧化劑，能夠實現入軌飛行。「佩刀」發動機結合了兩者優勢，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時轉為火箭發動機模式，利用所帶的液氫液氧，繼續加速至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，在氣流壓縮後被分開，部分氣流流入主燃燒室，其餘氣流流入預燃燒室。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）。隨後，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餘空氣的燃燒。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。低溫氦氣隨後流至循環器，經過預冷器再流經整個循環。流經熱交換器HX4後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，大氣層內飛行速度範圍到Ma 5，大氣層外速度在Ma 20以上；推重比和比衝具有優勢。「佩刀」發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），在整個飛行馬赫數範圍內比衝都高於火箭發動機。「佩刀」這款單一發動機即可實現多種發動機（或組合循環發動機）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」發動機結合了渦輪發動機部件、衝壓發動機與火箭發動機的特點，增加了熱交換器和多個冷卻迴路，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」發動機採用的是密集管路式熱交換器，形式上與傳統熱交換器無差別。「佩刀」發動機共有4個熱交換器：預冷卻器HX1和HX2用於冷卻來流空氣，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。預冷卻器採用一種高效的逆流設計，由數千個小口徑薄壁管組成。低溫氦氣流在管中流動，同時熱空氣流排列於外部的橫向氣流中。由於兩種液流間存在較高的壓差，因而光滑管採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」發動機熱交換器研製試驗情況資料看，其具備如下能力：一是換熱能力強；二是微型管路的製造工藝技術；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。

反作用發動機公司對熱交換器的研製從20世紀90年代開始。該公司在布里斯托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，此項工作為後續研究奠定了基礎。2001年，首個採用鎳718管路製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，反作用發動機公司製造出首個「佩刀」發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，該公司還製造了原型機生產線用以驗證預冷卻器模塊的商業可行性。2005年，結霜控制研究成功；2007年，預冷卻器裝到渦輪噴氣發動機前端進行試驗。

2012年，反作用發動機公司進行了全尺寸佩刀發動機預冷卻器的試驗，利用一臺渦噴發動機驗證預冷卻器的熱交換性能。試驗採用了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，這標誌著「佩刀」發動機的關鍵技術取得重大突破。反作用發動機公司成功對預冷卻器進行了結霜控制，但防結霜系統的細節高度保密。

2015年，反作用發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」發動機能夠實現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。「佩刀」發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於執行空天運載，實施衛星和空間望遠鏡部署、捕獲，空間站對接及全球範圍內的應急快速偵察監視任務，實現與美國正開展的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」發動機的循環方式進行驗證之後，表示目前正在考慮能夠使用「佩刀」發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」發動機可用於Ma 5一級的高超聲速運輸機（如載客人數300人的客機，可實現4h飛抵地球任意地點）。反作用發動機公司還在「佩刀」發動機基礎上衍生發展了預冷卻空氣吸氣式發動機——「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。「彎刀」發動機利用了「佩刀」發動機預冷卻技術研究成果，簡化了熱力循環，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。預冷卻器可用於擴展傳統渦輪發動機的包線，由此發展的高速渦輪發動機可以作為吸氣式組合動力的重要組成部分；換熱器可用於亞聲速渦輪風扇發動機的間冷/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製冷技術的革新和發展，帶來巨大的經濟效益和環保效益。

總結

適用於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動機等多種技術路線，「佩刀」發動機採用的熱力循環方式能夠實現飛行器的水平起降單級入軌，具有獨特的技術優勢；特別是熱交換器技術可用於擴展傳統渦輪發動機的包線，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」發動機的不足之處還包括採用氫燃料，燃料經濟性較渦輪衝壓組合發動機差，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）