飛機+火箭——空天飛機的發動機有多牛？

協同空氣噴氣火箭發動機，啟動！

經過三十多年的研究，一種新型火箭發動機終于能要成功了！

一些好的創意要經過多年不懈的堅持才終有成果。英國工程師艾倫·邦德研制高超音速發動機就是如此，他的研制工作開始于1982年；最初，該高超音速發動機作為英國政府支持的水平起降（HOTOL）空天飛機項目的一部分來啟動研發，水平起降空天飛機項目由勞斯萊斯公司和英國宇航公司執行。到1989年，水平起降空天飛機項目資金被停，艾倫·邦德先生和兩位勞倫萊斯公司的工程師成立了一家“反應發動機公司”，繼續研制高超音速發動機。本周，英國航空航天系統公司（即原英國宇航公司）耗資兩千萬英鎊收購了反應引擎公司20%的股份。這種股份收購行為表明艾倫·邦德的先進推進系統有可能研制成功。

如同其公司名稱所示，艾倫·邦德的推進系統是一種反應發動機。這表明該發動機也是按照牛頓第三運動定律（相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反）來推動飛機前進。廣義而言，反應發動機有兩種類型——火箭發動機和噴氣發動機，這兩類發動機都是將燃燒的熱氣在尾部噴出，符合第三運動定律，反應部分朝前運動。火箭發動機和噴氣發動機的區別就是火箭發動機自帶氧化劑和燃油，而噴氣發動機使用大氣層里的氧氣作為氧化劑；而協同空氣噴氣火箭發動機卻具有這二者的優點。

當大氣層的有足夠密度的空氣，協同空氣噴氣火箭發動機使用空氣作為氧化劑，以減輕自身重量；一旦進入外太空真空環境，協同空氣噴氣火箭發動機將使用液態氧作為氧化劑。只要將協同空氣噴氣火箭發動機安裝在合適的機身上，就能創造出可重復使用的航天飛機，反應引擎公司將其命名為“云霄塔”，因為其外形與1951年的英國節展出的建筑類似。這種航天飛機能從跑道起飛，將帶著衛星飛入軌道，也能在五小時內將旅客從倫敦運送至悉尼。

雖然這種結合了火箭發動機和噴氣發動機的創意聽起來十分簡單，但技術層面卻是十分困難。最大的挑戰就是航天飛機的設計巡航速度，當巡航速度達到了5馬赫（五倍音速，即每小時6180公里），由于機頭與空氣的摩擦，機頭部分空氣溫度能達到1000°C。在使用吸氣模式下，空氣被注入燃燒室之前，發動機必須將大量的空氣壓縮至140大氣壓，而壓縮過程又會產生大量熱量，沒有一種現有材料制造的壓縮機在此種高溫環境里不融化。為了滿足設計要求，在將空氣送入壓縮機之前，必須將空氣溫度降至零下150°C；在空氣進入協同空氣噴氣火箭發動機內后，整個冷卻時間不足百分之一秒。

為實現這一目的，協同空氣噴氣火箭發動機的工程師們設計出了可能是世界上冷卻速度最快的冰箱；該冷卻機構含有數千根鎳合金管，每根管的直徑只有1毫米，管壁厚度僅為27微米。這些微型管大幅提高了冷卻劑的接觸面積，從而提高了冷卻系統吸收熱量的性能。為了達到設計要求，協同空氣噴氣火箭發動機使用氦作為冷卻劑，氦是一種很好的冷卻物質。

冷卻系統還能利用廢熱。首先，膨脹的氦氣能用來驅動燃油泵和壓縮機；隨后，氦氣膨脹的殘余熱量還能被第二套管道吸收，這套管道被浸泡在流向燃燒室的液氫燃料里，用來加熱蒸發液氫燃料，為燃燒液氫做準備。

當飛至約2.5萬米的高空，空氣變得十分稀薄，協同空氣噴氣火箭發動機無法繼續以噴氣發動機模式運行，隨即轉變成火箭模式，將發動機前部的進氣口關閉，從液氧貯箱向燃燒室直接大量輸入大量氧氣。此時，“云霄塔”的飛行速度將從5馬赫升至25馬赫，從而飛入衛星軌道，在衛星軌道釋放衛星后，以滑翔方式飛回地球。

協同空氣噴氣火箭發動機遭受了很多人的質疑，這毫不令人驚訝。最近幾年，協同空氣噴氣火箭發動機研制速度加快，進行了一系列的測試，顯示了其散熱器工作良好，能承受高溫和高壓。歐洲太空總署和美國空軍研究實驗室對協同空氣噴氣火箭發動機技術進行了評估，評估結果十分有利，促使歐盟批準6千萬歐元研發資金給英國政府，反應引擎公司今年就能得到這筆資金。

按照反應引擎公司新任總經理的說法，反應引擎公司將在在英國航空航天系統公司的協助下，在2020年制造出一臺陸基版本的協同空氣噴氣火箭發動機。今年五月，托馬斯先生加入反應引擎公司，托馬斯原來是勞斯萊斯公司工作，曾經參加了多個新噴氣發動機研發項目。終于，在項目名稱一變再變之后，航天飛機總算回歸本源。究竟什么時候搭載了協同空氣噴氣火箭發動機的航空器才能起飛，人們拭目以待。邦德先生現在已經71歲了，仍然希望在有生之年看到裝配協同空氣噴氣火箭發動機的空天飛機翱翔天空。

發表于 2015-11-20 00:00
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