廖孟豪|美空軍正式公布基於「佩刀」空天發動機的水平起降兩級入軌飛行器概念方案

2016年9月中旬，美國空軍研究實驗室如期公布了兩套與美國SEI公司合作開發的基於英國反作用發動機公司「佩刀」發動機（SABRE，全稱「協同吸氣式火箭發動機」）的水平起降兩級入軌飛行器概念方案。

美國空軍研究實驗室從2014年1月開始對英國「佩刀」發動機進行技術考察。2015年4月，美國空軍研究實驗室確認了「佩刀」發動機的技術可行性，但同時認為，基於「佩刀」發動機的「雲霄塔」水平起降單級入軌飛行器在短期內仍存在較大技術風險，宜作為更遠期的發展目標。因此美國空軍研究實驗室與美國SEI公司合作，開始著手研究兩級入軌等風險更低、周期更短的「佩刀」發動機應用方案概念。2016年9月，美國空軍研究實驗室在AIAA會議上如期公布了兩套基於「佩刀」發動機的兩級入軌應用方案概念研究的成果，包括概念方案及其模擬計算方法與工具。

概念方案1：部分可重複使用、起飛總重159噸、軌道載荷2.25噸

總體方案：部分重複使用兩級入軌飛行器包含可重複使用的第一級（即下面級）和一次性使用的第二級（即上面級），其中第一級採用大後掠角邊條加後掠下單翼無尾布局，2台「佩刀」發動機安裝在主翼中部位置，採用翼尖小翼提供航向安定和操縱；第二級為採用氫氧發動機的一次性火箭，安裝在第一級飛行器機腹的內埋載荷艙內。兩級入軌飛行器整機總長約45米，比B-1B轟炸機約長1米，起飛總重159噸，其中第一級重144噸，第二級15噸；能夠將2.25噸載荷送入高度183千米、傾角28.5°的圓軌道。

基於「佩刀」發動機的部分可重複使用水平兩級入軌飛行器概念方案（美國空軍研究實驗室圖片）

作戰概念：第一級飛行器啟動「佩刀」發動機的吸氣式工作模態，從常規跑道上水平起飛，加速爬升到約20千米高度、馬赫數4.4時轉換到火箭模態，繼續加速爬升到約80千米高度、馬赫數8時，機腹艙門開啟，第二級飛行器與第一級分離後繼續點火爬升直至將載荷送入軌道，同時第一級飛行器無動力滑翔返回並水平著陸到起飛機場，返回過程中「佩刀」發動機會再次啟動並關機。

基於「佩刀」發動機的部分可重複使用水平兩級入軌飛行器作戰概念（美國空軍研究實驗室圖片）

概念方案2：完全可重複使用、起飛總重590噸、軌道載荷9噸

總體方案：完全重複使用兩級入軌飛行器包含可重複使用的第一級和第二級，其中第一級總體布局與方案1的第一級相似，採用2台「佩刀」發動機，使用液氫液氧燃料；第二級採用與X-37B類似的總體布局，採用液氧煤油火箭發動機，起飛時駝伏在第一級飛行器機背。兩級入軌飛行器整機總長約57米，起飛總重590噸；能夠將約9噸載荷送入高度183千米、傾角28.5°的圓軌道。

基於「佩刀」發動機的完全可重複使用水平兩級入軌飛行器概念方案（美國空軍研究實驗室圖片）

作戰概念：第一級飛行器起飛、爬升、滑翔、著陸等環節均與方案1相同，但本方案中，第二級飛行器與第一級分離後，點火爬升將載荷送入軌道後，本身不具備入軌條件，在「繞地球一周」後無動力滑翔返回起飛機場。因此，第二級飛行器實質上是一架可重複使用的亞軌道飛行器。

在開展概念方案研究的同時，美國空軍研究實驗室也在2016年初安排了預研項目，研究和測試「佩刀」發動機的核心技術——即適用於馬赫數4級高速渦輪發動機的預冷卻技術。項目前兩個階段（通常不超過3年）主要是在美國重複英國反作用發動機公司已經完成的預冷卻器地面試驗，即預冷卻器縮比樣機研製和試驗。項目第三階段計劃開展飛行試驗，但沒有具體時間安排。美國空軍開發頂層概念方案、安排關鍵技術預研的舉動已經表明，基於「佩刀」發動機技術的水平起降兩級入軌飛行器方案已經納入成為美國可重複使用空天運載飛行器的重要技術路線之一。在整個可重複使用空天運載飛行器技術方向，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）、美國航空航天局（NASA）和美國空軍按照不同技術路線，著眼近期和遠期分別安排了基於火箭動力的部分可重複使用兩級入軌飛行器演示驗證項目（即XS-1「試驗性太空飛機」項目，計劃2020年前完成飛行驗證）、基於TBCC及火箭動力的完全可重複使用兩級入軌飛行器技術預研和基於RBCC及火箭動力的完全可重複使用兩級入軌飛行器技術預研。美國空軍基於「佩刀」發動機的新路線可望成為既有技術布局的攪局者，加速美國在可重複使用空天運載飛行器上的創新發展。

從公開信息來看，基於深度換熱預冷技術的「佩刀」發動機概念已經受到了來自美國國防部和NASA等高層官員的高度關注和極大興趣。而另一方面，英國反作用發動機公司為吸引美國等歐洲之外的更大市場，瞄準多級運載飛行器、X試驗機、高超聲速技術驗證機等潛在應用，也在最近公布了地面推力20噸級的「佩刀」發動機小型驗證機的研製計劃（詳見本文文末列出的廖孟豪先生第8篇專欄文章）。我們分析認為，「佩刀」發動機技術可能不僅會助推美國在可重複使用空天運載飛行器技術方向的發展，還會在整個高超聲速技術領域帶來顛覆性的變革，加速美國高超聲速技術及裝備向前發展。

廖孟豪先生此前曾為《空天防務觀察》撰寫9篇專欄文章，如下表：

※全球首架超音速垂直起降戰機三台強力發動機托舉升空
※為研製垂直起降戰機，法國飛機安裝9台發動機 作戰半徑基本為零
※超音速垂直起降戰機 滑跑5米 三台強力發動機升空
※「帕爾馬之翼」航空節：多架客機頻繁起降
※美軍福特號航母甲板出現艦載機 或正測試艦載機起降
※坐在兩個發動機上面飛行：垂直起降飛機像張飛床
※中國研發水平起降空天飛機令世界震撼 全球目送新霸主閃亮登場
※中國正研發水平起降、可重複使用天地往返飛行器
※俄羅斯終於鬆口承認：開始準備建造新的航空母艦和垂直起降戰鬥機
※航空母艦作戰應用領域最高難的技術——艦載機夜間起降
※剛到就開訓！美軍航母南海起降艦載機 飛行員囂張自拍
※超級飛行器？國外垂直起降電動飛機測試成功
※終於公開宣布了，開始準備建造新的航空母艦和垂直起降戰鬥機！
※黃蜂級兩棲攻擊艦是美國海軍隸下的以直升機和垂直短距起降戰鬥機為主要作戰武器
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※一樹之高-美國陸軍航空兵未來垂直起降飛機項目