據(jù)中國科協(xié)5月11日消息，根據(jù)《人力資源社會保障部 中國科協(xié) 科技部 國務院國資委關于評選第二屆全國創(chuàng)新爭先獎的通知》要求，現(xiàn)將第二屆全國創(chuàng)新爭先獎擬表彰對象予以公示。 “全國創(chuàng)新爭先獎”是繼“國家自然科學獎”“國家技術發(fā)明獎”“國家科學技術進步獎”之后，中國批準設立了又一個重要的科技獎項，是僅次于國家最高科技獎的一個科技人才大獎。
而在這項科技表彰項目公示名單中，我們赫然看到了“水下發(fā)射大型固體運載火箭”（即新一代潛射洲際彈道導彈）項目團隊，其實還有一個國防項目團隊與其同獲表彰，它就是“高超聲速將預冷空天動力”項目團隊。這一充滿了技術術語的項目讓人有點搞不清頭腦，它究竟是何種“神器”？
何為“高超聲速強預冷空天動力”？
要科普什么是高超聲速強預冷空天動力（空天發(fā)動機），我們先得來講講什么是“預冷發(fā)動機”。所謂預冷發(fā)動機，是應用于高超聲速空天飛行器的多種正在預研的推進系統(tǒng)中極具潛力的一種。我們知道，目前航空領域最常用的是渦輪發(fā)動機，然而渦輪發(fā)動機一般只能用于3馬赫以內(nèi)的較低速度區(qū)間，一旦飛行速度超過3馬赫進入高超聲速領域，渦輪發(fā)動機就會遇到來流過快、溫度升高的麻煩，而渦輪發(fā)動機的工作原理就決定了其充沛的動力來源于來流的高空“冷空氣”，通過對冷空氣“燃燒”加熱的方式釋放巨大能量，從而推進飛行器前進。而一旦空氣溫度顯著升高，則發(fā)動機性能和輸出功率就會急劇下降。一個廣為人知的例子是在阿富汗戰(zhàn)爭中，以美國為首盟軍使用的直升機航空兵部隊因環(huán)境氣溫過高導致直升機發(fā)動機功率嚴重下降，直升機載荷嚴重不足給機載作戰(zhàn)帶來了極大的困難。
預冷發(fā)動機通過對渦輪發(fā)動機進行冷卻，使其吸氣溫度降低，功率和性能得到提升，然后與沖壓發(fā)動機或火箭發(fā)動機進行組合，最終得到空天飛機的動力——渦輪基/火箭基組合動力發(fā)動機。
以目前技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，預冷實現(xiàn)途徑主要分為兩種：一是強預冷，即利用預冷器冷卻渦輪發(fā)動機; 二是射流預冷，即在壓氣機入口噴入冷卻介質(zhì)使進入渦輪發(fā)動機流道的空氣流冷卻。具有代表性的預冷發(fā)動機方案包括美國MSE技術應用公司的射流預冷渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(MIPCC-TBCC)、英國反應發(fā)動機公司(ＲEL)的強預冷發(fā)動機佩刀(SABRE)、日本的吸氣式渦輪沖壓膨脹循環(huán)發(fā)動機(ATREX)、俄羅斯的深冷空氣渦輪發(fā)動機(ATRDC)等。其中以“佩刀”發(fā)動機項目近年來進展最為順利，知名度最高。
“佩刀”發(fā)動機模型剖視圖
強預冷方案猜析：或采用某種介質(zhì)循環(huán)預冷卻技術
目前來看，世界上幾種強預冷空天發(fā)動機的預冷器的具體冷卻介質(zhì)和結構各不相同，但總的原理大致相同——都是使用一種低溫介質(zhì)循環(huán)工作，吸收熱量，對高超聲速來流的高溫空氣“降溫”，然后降溫的冷空氣進入渦輪發(fā)動機燃燒室工作，獲得理想的推力。
其中“佩刀”采用雙模態(tài)設計，采用了氦氣和氫氣兩個制冷循環(huán)回路先后對空氣進行冷卻，其中氦氣先進行冷卻循環(huán)，而后在換熱器中冷卻，將從空氣中吸收的熱能接力交換給氫氣循環(huán)回路，氦氣則可以重復循環(huán)使用；而通過氦氫換熱器從氦氣循環(huán)回路中得到巨大熱量的氫氣則在預燃室里與空氣混合產(chǎn)生富氫燃氣后進入燃燒室摻混燃燒，為發(fā)動機提供燃料。這意味著，在“佩刀”發(fā)動機的渦輪發(fā)動機部分工作時，必須在起飛前預先攜帶一定量的液氫作為燃料。
“佩刀”發(fā)動機結構圖
日本宇航研究開發(fā)機構JAXA的ATREX發(fā)動機則直接采用液氫作為冷卻劑、驅(qū)動渦輪的氣體和燃料。經(jīng)渦輪泵增壓的液氫，進入風扇前的預冷卻器、燃燒室后的熱交換器，冷卻空氣并使液氫汽化。它的原理比采用氦氣作為可重復使用循環(huán)中介換熱介質(zhì)的“佩刀”相對更簡潔一些。俄羅斯的深冷空氣渦輪發(fā)動機ATRDC，也采用燃料氫作為循環(huán)預冷劑。之所以選擇液氫，是因為它既可以作為渦輪發(fā)動機在高空大氣層內(nèi)工作區(qū)間的吸氣工作模態(tài)下的燃燒劑，與空氣摻混燃燒；也因為其液態(tài)時的“低溫”特性，特別適合吸熱循環(huán)。液氫吸熱后不但可以冷卻空氣，還能將自身從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，直接進行燃燒，可謂一舉兩得。這就是大多數(shù)空天發(fā)動機強預冷方案選擇以液氫介質(zhì)作為循環(huán)冷卻核心方案的原由。
不過美國人提出過一個比較特殊的方案，美國長期研究的MIPCC 方案，是在壓氣機前部加裝液體噴射系統(tǒng)，通過液體蒸發(fā)來冷卻進氣道中的氣流，擴展渦輪發(fā)動機的可工作范圍。
雖然目前我國國產(chǎn)的“高超聲速強預冷空天動力”項目方案屬于機密并未公開，我們也無從得知其具體采用了何種結構和原理的設計，但我們可以猜析，它應該是基于目前比較成熟的液氫介質(zhì)循環(huán)強預冷方案，即也是使用液氫作為空天飛機第一級渦輪發(fā)動機的循環(huán)冷卻介質(zhì)，而在之后，它很有可能并聯(lián)火箭或超燃沖壓發(fā)動機，向大氣層更高更稀薄的臨近空間領域進發(fā)，這就是空天組合式發(fā)動機。
技術水平、研發(fā)進度全球領先
目前來看，上面提到的包括“佩刀”在內(nèi)的國外幾種主要的強預冷發(fā)動機，都處于技術研發(fā)或預研階段，而從全國創(chuàng)新爭先獎的其他表彰項目來看，該獎表彰的是已經(jīng)研發(fā)完成，取得成果，可以投入實際應用的項目，這或許意味著我國已經(jīng)成功攻克了“強預冷渦輪發(fā)動機”這一關鍵性技術，已經(jīng)可以將其應用在正在研發(fā)的空天組合發(fā)動機上。而強預冷發(fā)動機本身就是空天組合動力技術中最難跨越的那一個“門檻”之一。這或許表明，中國的空天飛行器發(fā)動機已經(jīng)取得了最重要的突破，而且領先于美、日、俄、英等世界空天動力強國，中國發(fā)動機事業(yè)，成功實現(xiàn)了一次難得的“彎道超車”！
結語
高超聲速強預冷空天動力的研發(fā)成果，意味著中國的國產(chǎn)高超聲速空天飛機“呼之欲出”，中國的空天國防領域，將迎來一次劃時代的技術變革！
