关键技术试验成功能让美国在高超领域“后来居上”吗？

出品：科普中国军事科技前沿

作者：兰顺正

监制：光明网科普事业部

美国《航空周刊》网站4月7日报道，英国“反作用发动机”公司宣布，该公司研制先进吸气式高速推进系统最近完成了一次里程碑性的实验，通过预冷器将模拟3.3马赫的来流调节到模拟海平面气压条件。美媒将这次实验称为“里程碑”，并非夸大虚言，因为该技术对于高超声速飞行确实意义重大。由于该计划获得了美国高级研究计划局（DARPA）的研发合同，所以“反作用发动机”公司的此次成功也意味美国的成功。那么，这项技术能够让一直自称在高超领域落后于中俄的美国“后来居上”吗？这一切还得从头说起。

“云霄塔”空天飞机想象图

1未来新星空天飞机

现在，随着科技的进步和人类空天活动的日益频繁，空天飞机这种新慨念飞行器以愈发受到各国的广泛关注。空天飞机是在吸收传统飞机和航天飞机两者优点的基础上发展起来的飞行器。在传统的航空、航天领域中，飞机和航天飞机分别在两个不同的领域——大气层的内、外活动，空天飞机则集中了两者的优点，既能像普通飞机一样水平起飞，以高超声速在大气层内飞行，又能直接加速进入地球轨道，成为航天器，返回大气层后，又能像普通飞机一样在机场着陆，重复使用。

时至今日，不少国家都提出了自己的空天飞机方案，而这其中英国的“云霄塔”空天飞机是比较有特色的一种。“云霄塔”是一种采用混合动力、可水平起降、可重复使用的单级入轨空天飞机，继承了上世纪80年代英国下马的“霍托尔”空天飞机项目的研究技术和成果，由当时新成立的英国反作用发动机公司（REL）在1989年开始研究。其标志性的单级入轨能力是相当大的创新，而独特的“佩刀”发动机（SABRE）就是其主要信心所在。

“佩刀”发动机示意图

2跨域飞行的“佩刀”

“佩刀”发动机（SABRE）是一款吸气 /火箭混合动力发动机。从前到后主要由可调进气锥、预冷器阵列、发动机核心和推力室，以及一个旁路燃烧装置组成。SABRE的大概设计思路是将氢燃料预冷空气发动机与火箭发动机融合，在大气中以高比冲的吸气模态工作，和传统喷气式飞机一样；当达到一定高度速度后切换成燃烧氢气和液氧的纯火箭发动机模态，从而实现单级入轨、跨域飞行的目的。

3急速“降火”的HTX

“云霄塔”的关键在“佩刀”，而“佩刀”的关键则是预冷器技术（HTX），这就与文章开头的实验相呼应了。高超音速下，进入Sabre引擎的空气的力量是5级飓风的25倍，其热量足以将发动机部件融化，为了能使发动机正常工作，需要对进入发动机的空气大幅冷却。而HTX的作用就是冷却进气口吸入的空气，HTX的热交换器由数千根薄壁细管制造，换热面积大，重量轻，空气通过热交换器时被管中流动的氦气冷却，可在0.05秒内将1000℃高温气流冷却到零下150℃，经HTX冷却的空气在涡轮压缩机的作用下进入火箭燃烧室，与氢燃料混合燃烧，产生推力。

不难看出，此次HTX的实验成功，意味着“佩刀”发动机距离取得重大突破已为期不远了，而“佩刀”不但可以助力空天飞机，对于其他高超声速飞行平台也具有广泛的应用前景。因此本次实验确实对美国在“高超声速竞赛”中重新占据主动具有重大意义。

划重点

高超声速下，进入飞行器动力系统的气流温度可达上千度，这将对发动机部件造成巨大危害，而预冷器通过高效的热交换，可以在极短时间内对高温气流进行冷却，对于高超声速飞行器动力系统的研制具有重大意义。