SABRE發動機是空天飛機的唯一選擇？

原標題：SABRE發動機是空天飛機的唯一選擇？

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一、SABRE發動機的前世今生

SARBRE（協同吸氣式火箭發動機，簡稱「佩刀」），是來自英國反作用力發動機（Reaction Engines）公司的研發項目，其目標是研製一種適用於高速飛行的新原理髮動機，即SARBRE。我們來看下該發動機的由來。

「佩刀」空天發動機（英國反作用發動機公司圖片）

「佩刀」發動機誕生在80年代中期，這得從當時的空天飛機項目說起，當時提出了許多空天飛機方案，有美國採用的超燃衝壓發動機為動力裝置的「東方快車」國家空天飛機，德國採用渦輪衝壓發動機為動力裝置的「桑格爾」空天飛機，然後就是英國的採用預冷式吸氣火箭發動機為動力裝置的「霍托爾」空天飛機。[1] 90年代，這三個國家空天飛機項目相繼下馬。（這些項目的發展除了技術因素外，也離不開世界大環境的變化，90年代蘇聯解體、美國打了海灣戰爭以及後來的科索沃危機等等）

雖然三個國家的空天飛機項目下馬了，但是英國參與「霍托爾」項目的三名工程師仍在堅持，終於於1989年成立反作用發動機公司（Reaction Engines），低調實施了「雲霄塔」空天飛機計劃。[1 ]佩刀之後的發展經歷了以下以下三大階段。

圖片來自參考文獻[2],作者張連慶、劉博等

最新消息，該公司於2018年4月12日獲得英國羅羅公司和波音公司投資2650萬英鎊，摺合人民幣約2.38億元。並且該公司計劃於2020年之前對示範發動機進行核心機地面測試，並在今年晚些時候對熱換熱器進行高溫測試。

二、SABRE發動機的雙模態工作

「佩刀發動機」具有雙模態，即吸氣式發動機模態（如我們一般看到的民航客機的發動機，吸氣式發動機需要依賴大氣中的氧氣與自帶的燃料燃燒以產生高速氣流獲得反作用推力），另一模態即火箭發動機模態（不用吸氣，自身攜帶氧化劑和燃料燃燒後噴氣產生推力）。而「佩刀」發動機就是能實現這兩種模態，據報道在吸氣工作模式它能夠達到5馬赫的速度，而在火箭模式工作模式時可以達到25馬赫。我們來看下「佩刀」發動機的工作兩種工作模式下的具體循環。

「佩刀」發動機吸氣模式循環示意圖（圖片來自ScarletKaze）

在吸氣模態，空氣被進氣錐初步壓縮後進入預冷器陣列，被預冷器冷卻。冷卻後的空氣被氦渦輪驅動的壓氣機壓縮後，一部分直接進入推力室，另一部分則進入預燃室和氫燃燒。燃燒後的富氫燃氣再進入推力室，與上述直接進入推力室的空氣混合燃燒。氦迴路中的氦在預冷器中吸收空氣的熱量後，流經預燃室排氣換熱器，被高溫燃氣加熱膨脹後驅動與空氣壓氣機同軸的氦渦輪。然後熱氦在氫-氦換熱器中被-238℃的液氫冷卻，重新進入預冷器，完成一個循環。氫則是被氫泵泵入，吸收氦的熱量後驅動氫泵渦輪與氦壓縮機渦輪，然後全部進入預燃室燃燒。[3]

「佩刀」發動機火箭模式循環示意圖（圖片來自ScarletKaze）

在高度達到26km，速度達到5.14馬赫時，SABRE的進氣錐關閉，發動機切換至火箭模態，此時預冷器與空氣壓氣機停止工作。氫路的工作狀態與吸氣模態時基本相同。氦迴路中加入了氧泵與氧泵渦輪。氦受熱膨脹後切換管路，由驅動壓氣機渦輪變為驅動氧泵渦輪。液氧被氧泵加壓後一部分進入預燃室另一部分直接進入推力室。火箭模態下的SABRE實際上類似於一台富燃分級燃燒火箭發動機。[3]

就SABRE發動機來說，其難點與我們傳統的渦輪風扇發動機或火箭發動機難點不同，該系統的關鍵技術是超輕量熱交換機，它能將以高超聲速進入進氣道的氣流迅速降溫到零下150°，然後進入壓氣機泵入燃燒室，與液氫燃料混合併產生推力。此外，其發動機內也集成了亞燃衝壓發動機，用於增加推力。而在離開大氣層的時候，則轉為依靠飛機內自身攜帶的液氧與氫燃料混合燃燒，進入普通的火箭工作模式。

「佩刀」的創新在於？

我們知道「佩刀」發動機是利用了預冷式吸氣發動機與火箭發動機的有效結合，其實利用這種思維不止可以有「佩刀」，還可以有「渦輪衝壓發動機」。

渦輪衝壓發動機（圖片來自百度）

首先說下衝壓發動機（這裡指超燃衝壓發動機），衝壓就是指，發動機自身在高超聲速流場中讓空氣自己「衝擊壓縮」增壓，省去了壓氣機渦輪等部件，事實上高超聲速流動時傳統壓氣機結構已經是負擔。那啥是超燃，超燃是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒。

超燃衝壓發動機不需要壓氣機渦輪等部件但是這種發動機不能在低速情況下起動，它需要火箭或者渦噴發動機把它從靜止帶到一定的高速後才能點火工作，並且飛機和該發動機要一體化設計。我國還專門設有一個獎叫「興洲獎」，是為紀念我國已故衝壓發動機技術主要開創者之一劉興洲院士而設立，旨在獎勵在衝壓發動機及其組合循環發動機科學研究方面取得較大成就的科學技術工作者。

將超燃衝壓發動機與渦輪風扇發動機組合起來就成了「渦輪衝壓發動機」，它同樣也開啟了雙模態工作模式。在第馬赫數飛行時，用傳統的渦輪風扇發動機啟動巡航，當速度到達高馬赫數時啟用衝壓模式，如此一來變實現了雙模態工作。和「佩刀」發動機不同的是渦輪衝壓發動機儘管有兩模態，但是一路都是吸氣發動機。其實還有其他組合如「火箭衝壓發動機」，即在大氣層中用衝壓模式，之外用火箭發動機，這也是雙模態。

和「佩刀」發動機一樣，這都一種創新，但從本質上來講是一種「排列組合式的創新」。還有沒有更好的推進方案？答案是肯定的。

三、除了「佩刀」，你還應該知道的爆震發動機

爆震發動機，就是利用爆震燃燒原理產生推力的發動機。說到這裡我們來了解下啥是爆震（也稱爆轟）。

爆震燃燒，這種燃燒現象其實離我們並不遙遠，我們在使用燃氣灶時，步驟通常是先開氣緊接著打火了，就是火剛打著的瞬間往往會聽見「砰」的一聲，這就是爆震現象，爆震燃燒對應著爆震發動機，爆震發動機又包括脈衝爆震發動機（Pulse Detonation Engine，簡稱PDE）、連續旋轉爆震發動機（ContinuouslyRotating Detonation Engine，簡稱RDE）等。脈衝爆震發動機就是利用這種現象中的「爆震波」來產生推力。

在自然界中燃燒有兩種，我們看到的大部分穩定的燃燒都是爆燃燃燒，像剛才介紹的這個「砰」的現象，它屬於爆震燃燒，產生的是爆震波，爆震波的傳播速度極快，達到每秒幾千米，因此，整個燃燒過程接近定容燃燒，由於定容燃燒的熱循環效率大大高於定壓燃燒（普通的發動機都是定壓燃燒），達到49%（定壓燃燒效率為27%）。所以從原理上我們看出爆震發動機具有更高的熱力循環效率。不但如此，爆震發動機機構簡單而且比沖大，所以也是未來空天動力的極好選擇。

（1）脈衝爆震發動機（PDE）

脈衝爆震發動機（PDE），是一種利用間歇式爆震波的新概念發動機（這裡說是新概念可不是指它剛提出來，而是說還沒被實際應用，相關基礎研究可追溯到50-60年代）。

多管脈衝爆震發動機

工作原理：由於間歇式爆震波的特殊性，脈衝爆震發動機的工作大致包括這麼幾個過程，充氣（向爆震管內充入混合燃氣，或者油氣混合物），觸發點火（一般採用DDT過程進行間接觸發），爆震波傳播（爆震從爆震管開口端傳播出去，又反射回膨脹波），掃氣過程（想爆震管內「吹氣」，可以是空氣或者惰性氣體），然後又回到進氣過程。如此便完成了發動機的循環工作。從上訴的工作特點我們可以知道，脈衝爆震發動機是不連續的工作，可以說是不穩定的，但是其比沖大結構簡單，利用爆震波的再帶增壓完全可省略壓氣機渦輪等部件。

脈衝爆震發動機概念設計基本結構圖

脈衝爆震發動機工作示意圖

脈衝爆震發動機目前還屬於一種新概念發動機。其優點是相對於傳統發動機相比，脈衝爆震發動機省去了壓氣機、渦輪機等部件，結構簡單、推重比高、成本低廉，被認為是「21世紀最有潛力的空天動力項目」，也被稱作「夢幻動力」。還必須再次提出的是，脈衝爆震發動機也是能具有雙模態的發動機，而且這種模態切換比以上所述的「佩刀」及「渦輪衝壓」都容易得多，脈衝爆震發動機可以有吸氣模式和火箭模式，不需要高低馬赫數之間的模態轉化，因為它從源頭就省去了傳統壓氣機渦輪部件，可以說是「自帶增壓，秒變火箭」，這是從其原理上獲得的先天優勢，這優勢就來源於爆震波。

因此，採用爆震燃燒的推進系統可大大改善性能。但是要指出，只有當爆震頻率達到80赫茲以上才會產生連續推力，並且該發動機供氣（供油）、掃氣、點火等過程協調較困難，要實現有效的高頻的噴注、慘混也是很難的，多次的高頻點火併且觸發爆震波是很困難的，這也是為什麼還沒實際應用的原因所在。並且此類發動機產生的雜訊也是個迫切需要解決的問題。

對於該領域俄羅斯展開了積極的研究，2016年8月俄羅斯高級研究基金會（FPI）宣布，俄羅斯成功測試了新一代液體燃料脈衝爆震發動機，此次成功代表著「太空旅行的未來」。但是該發動機離現實應用還有一段距離，相信隨著相關科研人員和愛好者的持續研究和努力，不久的將來脈衝爆震發動機會成為真正的空天動力！

（2）連續旋轉爆震發動機（RDE）

關於連續旋轉爆震發動機，其與脈衝爆震發動機一樣是利用爆震波來產生推力，達到推進目的，不同的就是這個「連續旋轉」了。連續是指發動機工作過程中產生的爆震波頻率極高不用多次點火，旋轉是指，爆震波沿著其筒型燃燒室環形通道中燃燒傳播。就好像一串串鞭炮在筒形燃燒室環形通道中沿著周向高頻引爆傳播。

工作原理：利用筒形燃燒室結構及周向特殊分布的點火裝置，推進劑沿軸向噴入後只要一次點火，在燃燒室頭部前端形成爆震波，維持波頭沿周向旋轉傳播，波後的高溫高壓產物迅速膨脹，從開口端高速排出，從而產生推力[4]。

可以看出連續旋轉爆震發動機的優點更為突出，它只要一次點火就能連續起爆，產生較大的推力，並且穩定。由於脈衝爆震研究發展受阻，連續旋轉爆震發動機成為當下最熱門的爆震推進概念。中國在這方面展開了積極地研究，主要有北京大學、國防科技大學和南京理工大學等單位。

綜上所訴，爆震發動機潛力很大，無論是脈衝爆震發動機還是連續旋轉爆震發動機，他們都可以是空天飛行器的極好選擇，都能實現從零起動，天地往返適用，高馬赫數飛行。但是還有很多關鍵技術需要解決，這是工程問題。一個不恰當的比喻，就好比核聚變，理論上是沒問題的，但是工程應用還有很長的路，當然托卡馬克裝置的發明讓我們看到了希望。

四、展望

美國先有馬斯克有了SpaceX，他成功後中國逐漸有了許多商業民營航天公司興起。有了零壹、翎客、藍箭、榮耀、九天、天儀等民營航天創業公司。同樣的思維，作者會想，中國的下一個Reaction Engines會在哪？中國的「佩刀」又會在哪？這是個美好的時代，謹借用黃志澄老先生的一句話作為結語共勉你我。

「我已達耄耋之年，但仰望星空，心中仍有詩和遠方。若年輕20年，我也會毫不猶豫地投身於航天創業的行列」

參考文獻：

[1]「佩刀」為天地往返提供新動力. 作者黃志澄.

[2]「佩刀」發動機技術進展分析. 作者張連慶、劉博等.

[3]《大不列顛的通天之塔—「雲霄塔」空天飛機簡介（上）》. 作者ScarletKaze.（新浪博主）

[4]連續旋轉爆震波傳播機理、工作特性及其在推進中的應用研究. 作者林偉.

特此感謝以上參考文獻作者，以及本文引用圖片版權所有者。

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