天动力 获国家表彰的"高超声速强预冷空天动力"究竟是何神器

　　据中国科协5月11日消息，根据要求，现将第二届全国创新争先奖拟表彰对象予以公示。“全国创新争先奖”是继“国家自然科学奖”“国家技术发明奖”“国家科学技术进步奖”之后，中国批准设立了又一个重要的科技奖项，是仅次于国家最高科技奖的一个科技人才大奖。

　　而在这项科技表彰项目公示名单中，我们赫然看到了“水下发射大型固体运载火箭”项目团队，其实还有一个国防项目团队与其同获表彰，它就是“高超声速强预冷空天动力”项目团队。这一充满了技术术语的项目让人有点搞不清头脑，它究竟是何种“神器”？

　　何为“高超声速强预冷空天动力”？

　　要科普什么是高超声速强预冷空天动力，我们先得来讲讲什么是“预冷发动机”。所谓预冷发动机，是应用于高超声速空天飞行器的多种正在预研的推进系统中极具潜力的一种。我们知道，目前航空领域最常用的是涡轮发动机，然而涡轮发动机一般只能用于3马赫以内的较低速度区间，一旦飞行速度超过3马赫进入高超声速领域，涡轮发动机就会遇到来流过快、温度升高的麻烦，而涡轮发动机的工作原理就决定了其充沛的动力来源于来流的高空“冷空气”，通过对冷空气“燃烧”加热的方式释放巨大能量，从而推进飞行器前进。而一旦空气温度显著升高，则发动机性能和输出功率就会急剧下降。一个广为人知的例子是在阿富汗战争中，以美国为首盟军使用的直升机航空兵部队因环境气温过高导致直升机发动机功率严重下降，直升机载荷严重不足给机载作战带来了极大的困难。

　　预冷发动机通过对涡轮发动机进行冷却，使其吸气温度降低，功率和性能得到提升，然后与冲压发动机或火箭发动机进行组合，最终得到空天飞机的动力——涡轮基/火箭基组合动力发动机。

　　图注：“佩刀”发动机模型剖视图

　　以目前技术发展现状来看，预冷实现途径主要分为两种：一是强预冷，即利用预冷器冷却涡轮发动机； 二是射流预冷，即在压气机入口喷入冷却介质使进入涡轮发动机流道的空气流冷却。具有代表性的预冷发动机方案包括美国MSE技术应用公司的射流预冷涡轮基组合循环发动机、英国反应发动机公司的强预冷发动机佩刀、日本的吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机、俄罗斯的深冷空气涡轮发动机等。其中以“佩刀”发动机项目近年来进展最为顺利，知名度最高。

　　强预冷方案猜析：或采用某种介质循环预冷却技术

　　目前来看，世界上几种强预冷空天发动机的预冷器的具体冷却介质和结构各不相同，但总的原理大致相同——都是使用一种低温介质循环工作，吸收热量，对高超声速来流的高温空气“降温”，然后降温的冷空气进入涡轮发动机燃烧室工作，获得理想的推力。

　　其中“佩刀”采用双模态设计，采用了氦气和氢气两个制冷循环回路先后对空气进行冷却，其中氦气先进行冷却循环，而后在换热器中冷却，将从空气中吸收的热能接力交换给氢气循环回路，氦气则可以重复循环使用；而通过氦氢换热器从氦气循环回路中得到巨大热量的氢气则在预燃室里与空气混合产生富氢燃气后进入燃烧室掺混燃烧，为发动机提供燃料。这意味着，在“佩刀”发动机的涡轮发动机部分工作时，必须在起飞前预先携带一定量的液氢作为燃料。

　　图注：“佩刀”发动机结构图

　　日本宇航研究开发机构JAXA的ATREX发动机则直接采用液氢作为冷却剂、驱动涡轮的气体和燃料。经涡轮泵增压的液氢，进入风扇前的预冷却器、燃烧室后的热交换器，冷却空气并使液氢汽化。它的原理比采用氦气作为可重复使用循环中介换热介质的“佩刀”相对更简洁一些。俄罗斯的深冷空气涡轮发动机ATRDC，也采用燃料氢作为循环预冷剂。之所以选择液氢，是因为它既可以作为涡轮发动机在高空大气层内工作区间的吸气工作模态下的燃烧剂，与空气掺混燃烧；也因为其液态时的“低温”特性，特别适合吸热循环。液氢吸热后不但可以冷却空气，还能将自身从液态转化为气态，直接进行燃烧，可谓一举两得。这就是大多数空天发动机强预冷方案选择以液氢介质作为循环冷却核心方案的原由。

　　不过美国人提出过一个比较特殊的方案，美国长期研究的MIPCC 方案，是在压气机前部加装液体喷射系统，通过液体蒸发来冷却进气道中的气流，扩展涡轮发动机的可工作范围。

　　虽然目前我国国产的“高超声速强预冷空天动力”项目方案属于机密并未公开，我们也无从得知其具体采用了何种结构和原理的设计，但我们可以猜析，它应该是基于目前比较成熟的液氢介质循环强预冷方案，即也是使用液氢作为空天飞机第一级涡轮发动机的循环冷却介质，而在之后，它很有可能并联火箭或超燃冲压发动机，向大气层更高更稀薄的临近空间领域进发，这就是空天组合式发动机。

　　技术水平、研发进度全球领先

　　目前来看，上面提到的包括“佩刀”在内的国外几种主要的强预冷发动机，都处于技术研发或预研阶段，而从全国创新争先奖的其他表彰项目来看，该奖表彰的是已经研发完成，取得成果，可以投入实际应用的项目，这或许意味着我国已经成功攻克了“强预冷涡轮发动机”这一关键性技术，已经可以将其应用在正在研发的空天组合发动机上。而强预冷发动机本身就是空天组合动力技术中最难跨越的那一个“门槛”之一。这或许表明，中国的空天飞行器发动机已经取得了最重要的突破，而且领先于美、日、俄、英等世界空天动力强国，中国发动机事业，成功实现了一次难得的“弯道超车”！

　　结语

　　高超声速强预冷空天动力的研发成果，意味着中国的国产高超声速空天飞机“呼之欲出”，中国的空天国防领域，将迎来一次划时代的技术变革！