珠海航展空天飞机超音速发动机: 美国人提出设想, 中国人负责实现_风闻

珠海航展上出现了一种相当奇特的发动机，看着像是火箭发动机，但却完全不一样，并且结构还不是一般的复杂，笔者仔细研究了这款发动机的照片，最后得出的结论相当震撼，这是英国REL公司在研最新空天飞机发动机的简化版！

不过让人意想不到的是，我们居然已经将这种简化版的发动机白菜化到了超音速无人机和靶机的动力，实在太让人震惊了！

看懂怪异发动机的结构铺垫：有点费脑子

这台发动机在珠海航展上众多的展品中一点都不起眼，有朋友拍摄了之后发布到了微头条、微博以及推特等社交媒体平台，留言者都是不明觉厉或者完全看不明白，因此一直都没火起来，笔者也是看了好久才明白，这种发动机隐藏着空天飞机动力的秘密。

富氧涡轮冲压发动机：使用大气层中氧气的发动机

这是一种火箭发动机，但它却是一种可以使用大气层内氧气的火箭发动机，它的设计思想很简单，不携带或者少携带氧化剂：

火箭是自带氧化剂和燃料的航空或者航天设备，以液氧煤油为例，按质量比算，两者完全燃烧的比例大致为3.5:1，也就是一千克煤油需要3.5千克氧气才能彻底燃烧，火箭中携带的氧气比煤油还多，然而在大气层中氧气到处都是，火箭却非得自己带，这是不是很浪费？

火箭中液氧的比例示意图

富氧涡轮冲压发动机就是利用一种特殊的结构，直接使用大气层中的氧气作为火箭发动机的氧化剂，为了实现这个要求，一台发动机就被搞成了大家都看不懂的结构，下文就对这种发动机剖析下，到底是什么样的原理。

富氧涡轮冲压发动机：涉及到的三个关键点

这种发动机的关键组成部分有三个：

1、燃气发生器涡轮+涡轮泵；

2、空气压缩涡轮（轴流式或者离心式）；

3、火箭发动机燃烧室；

其中燃气发生器涡轮泵是这台发动机中的动力核心，也就是最关键的设备，这里需要解释下，这是火箭发动机中的专用设备，它是用来泵入火箭燃料的。

火箭发动机的几种典型循环

火箭发动机中泵入燃料一般有几种方式：高压空气的挤压式、电泵（电池电机为动力）和燃气发生器与膨胀循环等，其中最常见并且性能比较好的就是燃气发生器，它的原理是将燃料和氧化剂在燃气涡轮里预燃在带动一个燃料泵，将燃料和氧化剂加压注入高压燃烧室，这个泵的压力决定了发动机的性能高低，所以这个燃气涡轮泵非常关键。

另一个关键结构空气压气机的涡轮，这是喷气式发动机中的结构，它的作用是将流经发动机的空气加压后送入燃烧室，与燃料混合后点燃，它的结构一般有如下两种：

1、离心式涡轮压气机；

2、轴流式多级涡轮压气机；

前者一般用在早期的离心式涡喷发动机中，现在也用在模型喷气式发动机上，这种离心式涡轮结构非常简单，但一般只有一级，增压也不高，所以这种发动机的推力是用油耗堆砌起来的。

轴流式多级涡轮压气机则是涡喷或者涡扇发动机中的关键设备，比如WS-10发动机就有十一级轴流式压气机，可以分为低压压气机、中压压气机和高压压气机，最终这些高压气流进入燃烧室混入燃料燃烧，再推动高压涡轮和低压涡轮后从尾喷口排出。

了解燃气涡轮泵和涡轮压气机原理后，下文就可以开始猜测下这种复杂结构发动机的工作过程，它的各部分结构对应的位置如下图：

1、启动时先启动先将氧化剂和燃料注入燃气涡轮，启动燃气涡轮工作

2、带动涡轮泵准备泵入燃料；

3、带动离心式涡轮机准备吸入并压缩空气，注入火箭燃烧室；

4、待压力增高后，涡轮泵向燃烧室注入燃料混合点燃，高温燃气排出尾喷口形成动力；

5、燃气涡轮为富氧燃烧，降低工作温度，降低对材料要求；

这台发动机需要携带少量氧化剂供给燃气涡轮工作，不过理论上也能切换为压缩空气，但会增加涡轮机工作温度，用空气给燃气涡轮供氧，可以增加比冲，也是比较划算的，只是工作燃气力涡轮工作状态改变，工作温度也会上升，代价是设计制造更为困难。

上述结构不知道各位是否能看明白，不过看不明白也没关系，只要知道了这种发动机可以少带大量的氧化剂，节省了大量的质量让给载荷，这就是这种发动机的魅力所在，但就目前这个结构而言，这种发动机也不是没有缺点的，基本都集中在如下几个方面：

1、空气压缩涡轮是单级的离心式涡轮，增压偏低；

2、离心涡轮压气机空气流量明显不如轴流式高；

3、空气压缩后温度升高，会膨胀，继而减少空气流量与增压比；

这三个缺点也不是没法改善，并且也不是我们不想改善，因为这个本来就是另一种更高级的发动机的简化版，是专门用来给超音速的无人机和导弹类武器使用的，高级版在未来将应用到空天飞机上。

预冷式组合循环发动机：未来空天飞机突破点

富氧涡轮冲压发动机就是预冷式组合循环发动机的简化版，这种发动机最早源自美国1960年代Marquardt公司提出的液化空气循环发动机（Liquid Air Cycle Engines，LACE），原理是使用自身携带的液氢将进入发动机的空气液化，然后供给给火箭发动机使用。

500 kN地面推力LACE发动机布局

因为液氢本来就是燃料，将空气冷却后还可以送入发动机燃烧，一举两得，后来还发展出了将空气液化后的液氮与液氧分离，并且在飞行过程中逐渐装满液氧储箱，这真是天才设计，这种发动机的可以在5~7马赫下工作，之后还可以切换成火箭模式，使用大气层中存储的液氧飞向近地轨道，相当优秀！但但问题来了，由于空气流量太大，液氢冷却后压力偏低无法进入燃烧室而存在损耗，导致比冲过低，在高速下空气增压后温度增加，这消耗量更是难以接受，而且空气分离结构复杂，后来这种液化空气的发动机被深冷式发动机代替。

RB545发动机基本原理

这个代表就是1980年代英国罗尔斯·罗伊斯的RB545和后来的升级版ATRDC（前苏联）发动机，两者结构类似，都是使用液氢对空气进行深度冷却但不液化，吸气涡轮分内外通道，冷却后的空气经过外通道进入火箭发动机燃烧室，内通道则进入一个涡轮燃烧室，注入燃料燃烧驱动整个涡轮机工作。

ATRDC发动机原理图

这里必须要回答一个问题：为什么要冷却空气？

原因其实挺简单的，因为有两个前提，向发动机提供更大流量的空气和更高的压力，为什么要高压力？这些空气要注入火箭发动机，空气压力必须大于火箭燃烧室的室压，否则根本就进不去，加压其实简单，但加压后空气膨胀，流量反而会减小！

因为发动机的进气在速度提高后进气道预压缩会让空气升温膨胀，而冷却可以让空气温度下降收缩，经过涡轮机压缩后可以取得更高的流量与压力，这就是预冷式发动机最初的想法。不过快速冷却空气会导致水汽结冰的问题，解决方法是在进气道喷入甲醇混入空气，避免结冰。

进气锥处喷入甲醇

在RB545和后来的升级版ATRDC的发动机中，冷源来自液氢，在热交换器中膨胀吸热，极速冷却空气，但这些液氢在预冷器中膨胀后压力下降，无法再进入火箭发动机燃烧，只能白白放掉，太浪费。

换热器结构

另一个问题氢脆，因为氢原子太小，其渗入材料导致强度下降，与液氢接触的关键部件寿命会大幅缩短，特别是换热器的毛细结构，问题特别严重。RB545和升级版ATRDC就算性能再好寿命也长不了，后来被SABRE和Scimitar发动机代替。

SABRE预冷式组合循环发动机：氦气冷却，结构更复杂

SABRE（佩刀式）发动机是英国REL（Reaction Engines Limited）公司在1994年开始研发的预冷式发动机，其中的冷却剂已经从早期的液氢冷却转换成了氦气，避免了氢脆的问题，不过驱动过程更复杂了，SABRE发动机的基本结构如下图：

这个结构谁看了都眼晕，像涡喷或者涡扇还能看个大概，这个发动机结构，要是不搭配热力循环图，估计没有人能搞得清楚：

这个热力循环中有一个非常关键的动力来源：预燃室，这是整台发动机的动力核心，它的工作相关有几个流程：

1、推动氦循环泵，让经过液氢冷却的氦循环至预冷器冷却空气；

2、再到预燃室的热交换器加热膨胀，推动液氧泵工作；

3、氦循环一路回氦循环泵，另一路到涡轮压气机膨胀推动多级空气压缩涡轮；

4、再回氦循环泵完成一个循环；

液氢与液氧在这里预燃，推动氦循环泵，让冷却的氦、液氢泵工作，热量加热氦在涡轮压气机中压缩被氦气交换器冷却的空气进入火箭发动机，氦成了这台发动机最关键的介质。此前REL一直无法解决预冷器技术问题，快速降温又不结冰，难度技术太大，在2018年突破预冷器技术后，欧空局和美国等都开始参与到了REL的预冷发动机研制工作中。

氦循环泵解决了氢脆的问题，并且预燃室采用了低温燃烧，除了火箭燃烧室，整台发动机都可以使用轻合金解决问题，使得这种发动机非常具有前途，更让各位空天飞机爱好者惊奇的是，这种发动机可以直接将吸气模式切换至火箭模式。

因为预冷发动机在设计之初就是面向空天飞机的动力，而SABRE发动机的未来装机对象就是“云霄塔”（SKYLON）单级入轨空天飞机。在到达5~5马赫、大约30千米高空时无法从空气中获得足够氧气的发动机将关闭进气道，直接使用液氧进入火箭燃烧室变成一台纯火箭发动机推动空天飞机进入近地轨道。

我国的进展：云龙发动机

2021年4月16日，中国航天报隆重报道了中国航天科工三院31所“云龙”发动机完成关键试验的消息，由该所研制的组合动力发动机——“云龙”发动机的预冷装置已经完成了目前国内最大尺度、最大空气流量的温降试验，在0.01秒内实现1000℃的降温，零下150℃环境下运行无结霜。

云龙发动机也是预冷发动机的一种，与SABRE（佩刀式）发动机的协同吸气式预冷火箭发动机有些不一样的是云龙发动机是多循环深度耦合预冷火箭发动机，结构和原理上都是大同小异，笔者就不再啰嗦原理了。

云龙发动机是2018年6月立项研制的，从时间上来看要比英国的晚不少，但这种发动机由于难度比较高，大都还处在预研以及技术验证阶段，比如英国的佩刀式发动机在2018年还在研发热交换器成型要到2024年，我国则在短短3年内就突破了预冷器技术，这个速度让研发了十几年的REL公司实在有些汗颜。

当然进展的不仅是预冷式发动机，横向突破的技术已经开花结果，富氧涡轮冲压发动机就是预冷室发动机去掉了预冷器后的简化版发动机，可以零速度启动，避免了冲压发动机需要超音速启动尴尬问题，并且最高速度可以达到3.5马赫，一下子就将高高在上的高速飞行器拉到了白菜价范围。

预冷式发动机的发展历史

延伸阅读：高超音速发动机到底有哪些？

文末大概做个统计，高超音速的发动机有多管脉冲爆震发动机、旋转爆震发动机、倾斜爆震发动机、超燃冲压发动机。能零速度启动的是：多管脉冲爆震发动机（最高速为5~6马赫）、旋转爆震发动机（10马赫以上）。

超燃冲压发动机：4-5马赫才能启动，最高速度用碳氢燃料时在7马赫左右，氢燃料时可达14马赫；斜爆震发动机：6-7马赫启动，最高速度可在14~7马赫。

组合发动机有TBCC（涡轮基组合循环发动机）、RBCC（火箭基组合发动机）、TRRE（涡轮火箭基组合发动机），预冷式发动机属于TRRE，这种发动机是比较完美的单级入轨空天飞机的动力，这也是各国重点突破的技术方向。

星辰大海路上的种花家