SABRE发动机是空天飞机的唯一选择？

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一、SABRE发动机的前世今生

SARBRE（协同吸气式火箭发动机，简称“佩刀”），是来自英国反作用力发动机（Reaction Engines）公司的研发项目，其目标是研制一种适用于高速飞行的新原理发动机，即SARBRE。我们来看下该发动机的由来。

“佩刀”空天发动机（英国反作用发动机公司图片）

“佩刀”发动机诞生在80年代中期，这得从当时的空天飞机项目说起，当时提出了许多空天飞机方案，有美国采用的超燃冲压发动机为动力装置的“东方快车”国家空天飞机，德国采用涡轮冲压发动机为动力装置的“桑格尔”空天飞机，然后就是英国的采用预冷式吸气火箭发动机为动力装置的“霍托尔”空天飞机。[1] 90年代，这三个国家空天飞机项目相继下马。（这些项目的发展除了技术因素外，也离不开世界大环境的变化，90年代苏联解体、美国打了海湾战争以及后来的科索沃危机等等）

虽然三个国家的空天飞机项目下马了，但是英国参与“霍托尔”项目的三名工程师仍在坚持，终于于1989年成立反作用发动机公司（Reaction Engines），低调实施了“云霄塔”空天飞机计划。[1 ]佩刀之后的发展经历了以下以下三大阶段。

图片来自参考文献[2],作者张连庆、刘博等

最新消息，该公司于2018年4月12日获得英国罗罗公司和波音公司投资2650万英镑，折合人民币约2.38亿元。并且该公司计划于2020年之前对示范发动机进行核心机地面测试，并在今年晚些时候对热换热器进行高温测试。

二、SABRE发动机的双模态工作

“佩刀发动机”具有双模态，即吸气式发动机模态（如我们一般看到的民航客机的发动机，吸气式发动机需要依赖大气中的氧气与自带的燃料燃烧以产生高速气流获得反作用推力），另一模态即火箭发动机模态（不用吸气，自身携带氧化剂和燃料燃烧后喷气产生推力）。而“佩刀”发动机就是能实现这两种模态，据报道在吸气工作模式它能够达到5马赫的速度，而在火箭模式工作模式时可以达到25马赫。我们来看下“佩刀”发动机的工作两种工作模式下的具体循环。

“佩刀”发动机吸气模式循环示意图（图片来自ScarletKaze）

在吸气模态，空气被进气锥初步压缩后进入预冷器阵列，被预冷器冷却。冷却后的空气被氦涡轮驱动的压气机压缩后，一部分直接进入推力室，另一部分则进入预燃室和氢燃烧。燃烧后的富氢燃气再进入推力室，与上述直接进入推力室的空气混合燃烧。氦回路中的氦在预冷器中吸收空气的热量后，流经预燃室排气换热器，被高温燃气加热膨胀后驱动与空气压气机同轴的氦涡轮。然后热氦在氢-氦换热器中被-238℃的液氢冷却，重新进入预冷器，完成一个循环。氢则是被氢泵泵入，吸收氦的热量后驱动氢泵涡轮与氦压缩机涡轮，然后全部进入预燃室燃烧。[3]

“佩刀”发动机火箭模式循环示意图（图片来自ScarletKaze）

在高度达到26km，速度达到5.14马赫时，SABRE的进气锥关闭，发动机切换至火箭模态，此时预冷器与空气压气机停止工作。氢路的工作状态与吸气模态时基本相同。氦回路中加入了氧泵与氧泵涡轮。氦受热膨胀后切换管路，由驱动压气机涡轮变为驱动氧泵涡轮。液氧被氧泵加压后一部分进入预燃室另一部分直接进入推力室。火箭模态下的SABRE实际上类似于一台富燃分级燃烧火箭发动机。[3]

就SABRE发动机来说，其难点与我们传统的涡轮风扇发动机或火箭发动机难点不同，该系统的关键技术是超轻量热交换机，它能将以高超声速进入进气道的气流迅速降温到零下150°，然后进入压气机泵入燃烧室，与液氢燃料混合并产生推力。此外，其发动机内也集成了亚燃冲压发动机，用于增加推力。而在离开大气层的时候，则转为依靠飞机内自身携带的液氧与氢燃料混合燃烧，进入普通的火箭工作模式。

“佩刀”的创新在于？

我们知道“佩刀”发动机是利用了预冷式吸气发动机与火箭发动机的有效结合，其实利用这种思维不止可以有“佩刀”，还可以有“涡轮冲压发动机”。

涡轮冲压发动机（图片来自百度）

首先说下冲压发动机（这里指超燃冲压发动机），冲压就是指，发动机自身在高超声速流场中让空气自己“冲击压缩”增压，省去了压气机涡轮等部件，事实上高超声速流动时传统压气机结构已经是负担。那啥是超燃，超燃是指燃料在超声速气流中进行燃烧。

超燃冲压发动机不需要压气机涡轮等部件但是这种发动机不能在低速情况下起动，它需要火箭或者涡喷发动机把它从静止带到一定的高速后才能点火工作，并且飞机和该发动机要一体化设计。我国还专门设有一个奖叫“兴洲奖”，是为纪念我国已故冲压发动机技术主要开创者之一刘兴洲院士而设立，旨在奖励在冲压发动机及其组合循环发动机科学研究方面取得较大成就的科学技术工作者。

将超燃冲压发动机与涡轮风扇发动机组合起来就成了“涡轮冲压发动机”，它同样也开启了双模态工作模式。在第马赫数飞行时，用传统的涡轮风扇发动机启动巡航，当速度到达高马赫数时启用冲压模式，如此一来变实现了双模态工作。和“佩刀”发动机不同的是涡轮冲压发动机尽管有两模态，但是一路都是吸气发动机。其实还有其他组合如“火箭冲压发动机”，即在大气层中用冲压模式，之外用火箭发动机，这也是双模态。

和“佩刀”发动机一样，这都一种创新，但从本质上来讲是一种“排列组合式的创新”。还有没有更好的推进方案？答案是肯定的。

三、除了“佩刀”，你还应该知道的爆震发动机

爆震发动机，就是利用爆震燃烧原理产生推力的发动机。说到这里我们来了解下啥是爆震（也称爆轰）。

爆震燃烧，这种燃烧现象其实离我们并不遥远，我们在使用燃气灶时，步骤通常是先开气紧接着打火了，就是火刚打着的瞬间往往会听见“砰”的一声，这就是爆震现象，爆震燃烧对应着爆震发动机，爆震发动机又包括脉冲爆震发动机（Pulse Detonation Engine，简称PDE）、连续旋转爆震发动机（ContinuouslyRotating Detonation Engine，简称RDE）等。脉冲爆震发动机就是利用这种现象中的“爆震波”来产生推力。

在自然界中燃烧有两种，我们看到的大部分稳定的燃烧都是爆燃燃烧，像刚才介绍的这个“砰”的现象，它属于爆震燃烧，产生的是爆震波，爆震波的传播速度极快，达到每秒几千米，因此，整个燃烧过程接近定容燃烧，由于定容燃烧的热循环效率大大高于定压燃烧（普通的发动机都是定压燃烧），达到49%（定压燃烧效率为27%）。所以从原理上我们看出爆震发动机具有更高的热力循环效率。不但如此，爆震发动机机构简单而且比冲大，所以也是未来空天动力的极好选择。

（1）脉冲爆震发动机（PDE）

脉冲爆震发动机（PDE），是一种利用间歇式爆震波的新概念发动机（这里说是新概念可不是指它刚提出来，而是说还没被实际应用，相关基础研究可追溯到50-60年代）。

多管脉冲爆震发动机

工作原理：由于间歇式爆震波的特殊性，脉冲爆震发动机的工作大致包括这么几个过程，充气（向爆震管内充入混合燃气，或者油气混合物），触发点火（一般采用DDT过程进行间接触发），爆震波传播（爆震从爆震管开口端传播出去，又反射回膨胀波），扫气过程（想爆震管内“吹气”，可以是空气或者惰性气体），然后又回到进气过程。如此便完成了发动机的循环工作。从上诉的工作特点我们可以知道，脉冲爆震发动机是不连续的工作，可以说是不稳定的，但是其比冲大结构简单，利用爆震波的再带增压完全可省略压气机涡轮等部件。

脉冲爆震发动机概念设计基本结构图

脉冲爆震发动机工作示意图

脉冲爆震发动机目前还属于一种新概念发动机。其优点是相对于传统发动机相比，脉冲爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件，结构简单、推重比高、成本低廉，被认为是“21世纪最有潜力的空天动力项目”，也被称作“梦幻动力”。还必须再次提出的是，脉冲爆震发动机也是能具有双模态的发动机，而且这种模态切换比以上所述的“佩刀”及“涡轮冲压”都容易得多，脉冲爆震发动机可以有吸气模式和火箭模式，不需要高低马赫数之间的模态转化，因为它从源头就省去了传统压气机涡轮部件，可以说是“自带增压，秒变火箭”，这是从其原理上获得的先天优势，这优势就来源于爆震波。

因此，采用爆震燃烧的推进系统可大大改善性能。但是要指出，只有当爆震频率达到80赫兹以上才会产生连续推力，并且该发动机供气（供油）、扫气、点火等过程协调较困难，要实现有效的高频的喷注、惨混也是很难的，多次的高频点火并且触发爆震波是很困难的，这也是为什么还没实际应用的原因所在。并且此类发动机产生的噪声也是个迫切需要解决的问题。

对于该领域俄罗斯展开了积极的研究，2016年8月俄罗斯高级研究基金会（FPI）宣布，俄罗斯成功测试了新一代液体燃料脉冲爆震发动机，此次成功代表着“太空旅行的未来”。但是该发动机离现实应用还有一段距离，相信随着相关科研人员和爱好者的持续研究和努力，不久的将来脉冲爆震发动机会成为真正的空天动力！

（2）连续旋转爆震发动机（RDE）

关于连续旋转爆震发动机，其与脉冲爆震发动机一样是利用爆震波来产生推力，达到推进目的，不同的就是这个“连续旋转”了。连续是指发动机工作过程中产生的爆震波频率极高不用多次点火，旋转是指，爆震波沿着其筒型燃烧室环形通道中燃烧传播。就好像一串串鞭炮在筒形燃烧室环形通道中沿着周向高频引爆传播。

工作原理：利用筒形燃烧室结构及周向特殊分布的点火装置，推进剂沿轴向喷入后只要一次点火，在燃烧室头部前端形成爆震波，维持波头沿周向旋转传播，波后的高温高压产物迅速膨胀，从开口端高速排出，从而产生推力[4]。

可以看出连续旋转爆震发动机的优点更为突出，它只要一次点火就能连续起爆，产生较大的推力，并且稳定。由于脉冲爆震研究发展受阻，连续旋转爆震发动机成为当下最热门的爆震推进概念。中国在这方面展开了积极地研究，主要有北京大学、国防科技大学和南京理工大学等单位。

综上所诉，爆震发动机潜力很大，无论是脉冲爆震发动机还是连续旋转爆震发动机，他们都可以是空天飞行器的极好选择，都能实现从零起动，天地往返适用，高马赫数飞行。但是还有很多关键技术需要解决，这是工程问题。一个不恰当的比喻，就好比核聚变，理论上是没问题的，但是工程应用还有很长的路，当然托卡马克装置的发明让我们看到了希望。

四、展望

美国先有马斯克有了SpaceX，他成功后中国逐渐有了许多商业民营航天公司兴起。有了零壹、翎客、蓝箭、荣耀、九天、天仪等民营航天创业公司。同样的思维，作者会想，中国的下一个Reaction Engines会在哪？中国的“佩刀”又会在哪？这是个美好的时代，谨借用黄志澄老先生的一句话作为结语共勉你我。

“我已达耄耋之年，但仰望星空，心中仍有诗和远方。若年轻20年，我也会毫不犹豫地投身于航天创业的行列”

参考文献：

[1]“佩刀”为天地往返提供新动力. 作者黄志澄.

[2]“佩刀”发动机技术进展分析. 作者张连庆、刘博等.

[3]《大不列颠的通天之塔—“云霄塔”空天飞机简介（上）》. 作者ScarletKaze.（新浪博主）

[4]连续旋转爆震波传播机理、工作特性及其在推进中的应用研究. 作者林伟.

特此感谢以上参考文献作者，以及本文引用图片版权所有者。

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