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有了这把“佩刀”，一小时伦敦飞纽约，比“黑鸟”还要快一半！

2020-05-29 20:57

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

原创 CO 航空知识

近年来，高超声速技术领域风起云涌，成为大国间的竞争热点。自上世纪90年代起，各国开始大力发展高超声速技术。当世界各国都将目光重点锁定高超音速导弹的研发时，英国则致力于发展高超音速飞机，以求将战机的速度提升到5马赫以上。而这个计划的核心就是—— “佩刀（Sabre）”协同吸气式火箭发动机。

发动机全称Synergetic Air- Breathing Rocket Engine，意为协同吸气式火箭发动机，取每个单词首字母即“SABRE”佩刀，因此也被称为“佩刀”发动机。

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一度搁浅的空天飞机

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“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，纷纷提出了多种可以水平起降的空天飞机方案，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”国家空天飞机（NASP）和德国采用涡轮冲压发动机的“桑格尔”(SANGER)。

HOTOL 空天飞机概念图（来源：Nick StevensGraphics）

英国提出的“霍托尔”空天飞机方案是第一个可飞至低地球轨道且完全可重复使用的单级入轨运载器方案，主要用于卫星发射和回收。“霍托尔”方案最具创新的部分是采用了RB545发动机，该发动机以液氢为燃料，在吸气式工作过程中液化空气循环，利用空气中的氧降低空天飞机携带液氧的质量。

HOTOL空天飞机三视图（来源：Nick Stevens Graphics）

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（Skylon）”空天飞机计划。“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。

Sabre“佩刀”发动机（来源：ESA）

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吸气＋火箭：两小时穿越大西洋

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根据英国反应发动机公司的规划，佩刀发动机将装配于“云霄塔”空天飞机上，该型飞行器可在常规跑道上起飞，在15分钟内爬升到地球的平流层上，并以五倍音速的速度飞行，从伦敦到纽约的航班也就一个小时左右，两小时即可穿越大西洋。

“Skylon”云霄塔空天飞机概念图（来源：ESA）

佩刀发动机是一种涡轮、冲压、火箭组合的组合循环发动机，由主发动机通道和旁路冲压发动机通道组成，包括吸气式（空气中的氧和机载液氢）和火箭式（机载液氢和液氧）两种工作模式，在Ma5.1左右进行工作模式转换，能够将飞行器从静止状态无缝加速到入轨速度。

“佩刀”发动机工作示意图（来源：英国RE公司）

飞机起飞后，在稠密大气层飞行时，采用“涡轮为主、冲压为辅”的吸气工作模式，由可变进气道进入的高温空气分两路，一路经预冷器降温后，在压气机的作用下先后进入预燃室和主燃烧室，经火箭喷管高速喷出，产生主要推力；另一路直接进入冲压发动机燃烧室，与少量氢燃烧，产生部分推力，提高氢的利用率。在高空高速飞行时，发动机进气道关闭，按照液体火箭发动机的工作原理工作，将飞行器加速到入轨速度。两种工作模式共用涡轮泵、可调尾喷管等关键部件，有效降低发动机结构质量。

“佩刀”发动机结构示意图（来源：英国RE公司）

在5倍音速的高速飞行状态下，进入发动机的空气将达到1000摄氏度，足以严重损坏组件。因此，预冷器是 “佩刀”发动机的核心部件。反应发动机公司的预冷器可以在不到20秒的时间内将空气降低到零下150摄氏度。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,厚度仅为40μm，它能在不降低物理强度的前提下，确保良好的热交换性能。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。

发动机预冷器示意图，预冷器由许多螺旋形缠绕的细管组成。（来源：英国RE公司）

2019年10月22日，英国反应发动机公司表示，已经证明其突破性的发动机技术可以应对高超音速的高温， “佩刀”高超音速发动机的预冷系统可处理5马赫的温度，这项技术突破距离“佩刀”发动机研发成功又近了一步。

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“佩刀”的未来：不止空天飞机

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虽然“佩刀”发动机最初被设计为被称为Skylon空天飞机概念的一部分，未来它的应用范围或许远不止于此。佩刀发动机关键技术突破后，引起美、欧等航天大国或组织的重视，美国NASA甚至倡议英、美合作开展联合飞行试验，复兴空天飞行器项目。

与此同时，波音公司于2018年公开了其正在研制的高超声速民用飞机初始概念方案以及相关技术细节。新发动机拟采用涡轮+冲压的动力形式，并引入佩刀的预冷技术。此前，波音公司与罗罗公司联合宣称，已向英国反应发动机公司注资，因此波音将获得反应发动机公司的技术支持。

波音公司公布的高超声速客机概念方案构想图(来源：波音)

事实上，美国对佩刀发动机的分析始于2014年，在佩刀发动机的热力循环原理可行性及其预冷换热器关键技术都得到认可后，2016年6月美国空军研究实验室通过 SBIR计划，发展基于佩刀的预冷换热器技术，美国国防部也通过高马赫数飞行的持久预冷换热器项目对预冷换热器开展研究。相关研究成果无疑是波音公司拟采用预冷技术的重要动因。