本
文
摘
要
4月16日，中国航天报隆重报道了中国航天科工三院31所“云龙”发动机完成关键试验的消息。
那么这究竟是一款什么样的发动机呢？最大技术难点在哪里？究竟有什么大用呢？和美国比我国的进度更快还是更慢呢？我国的空天飞机啥时候能首飞？
“云龙”发动机试验现场
带着这些问题，本文将以通俗易懂的方式告诉大家。文章干货满满，但篇幅较长，请耐心阅读。（今日头条“细说科技”出品，侵权必究）
一、“云龙”发动机是一款高超声速强预冷涡轮火箭组合循环发动机，是最有希望实现单级入轨的一种新概念发动机。
在解释这种发动机原理之前，要先了解涡轮喷气发动机原理和火箭发动机原理。
1、涡轮喷气发动机原理：通过多级压气机将空气压缩，提升空气密度和流速，到燃烧室喷入液体雾化燃料并点燃，继续提升空气流速，冲击涡轮叶片带动压气机往复循环旋转。这个燃烧过程就是一个定压燃烧过程，工作原理是通过过点燃雾化燃料在空气压力不变的情况下，提升空气速度，降低空气密度，从而产生推力。由于经过多级压缩，空气到达燃烧室以后，温度已经比较高了，再喷入燃料以后，燃烧温度就更高了。涡轮发动机的潜力可看做是气流压缩后的温度与燃烧室最高温度的温差，这个温差越大，发动机喷口气流速度越大，越有利于提升飞行器速度。由于涡轮叶片耐高温能力有限，因此多数采用涡轮发动机作为动力的飞机的极限速度都只有3马赫以下。
涡喷发动机结构图
这种发动机的优点是等效比冲很高，达到2500～3500秒，涡扇发动机则高达8000秒左右，远高于液体火箭发动机（低于480秒）和固体火箭发动机（低于300秒）。同等速度增量的情况下，涡喷发动机消耗的燃料仅为火箭发动机的1/4～1/11左右。这种发动机缺点是难以突破3马赫，严重制约飞行器飞得更快更高。比冲高的主要原因就是无需携带重量很大的氧化剂。
2、液体火箭发动机原理：火箭发动机则是通过在预燃室先燃烧一小部分燃料，驱动动力涡轮带动增压涡轮给燃料增压，提升燃料流速，然后在燃烧室点燃，加速膨胀喷出燃气产生推力。优点是可将飞行器提升至极高速度，可作为深空探测器的发动机，缺点是比冲太低，最高不超过480秒，一般也不超过450秒。换句话说就是，这种发动机效率太低，需要携带大量的燃料才能推动同等重量、外形也相同的飞行器。比冲低的主要原因是需要携带大量氧化剂。
液体火箭发动机
对比发现，上述两种发动机的优缺点似乎有点相反，如果两者能够有机组合，那就能克服上述两种发动机的优点和缺点。经过大量探索研究，各主要科技强国发现还真能研制出这样的发动机！
这种发动机就是高超声速预冷组合循环发动机，其等效比冲在5马赫时仍然可达到3600秒左右，是普通火箭发动机效率是10倍左右。其原理是：预冷发动机通过对涡轮发动机进行冷却，使其吸气温度降低，功率和性能得到提升，然后与冲压发动机或火箭发动机进行组合，最终得到空天飞机的动力，大致可分为预冷涡轮基组合动力发动机和强预冷火箭基组合动力发动机。前者主要是通过在压气机入口喷入冷却介质使进入涡轮发动机流道的空气流冷却，后者主要是利用预冷器冷却涡轮发动机。
目前各国具有代表性的预冷发动机方案按照速度提升潜力从大到小有：英国反应发动机公司（REL）的强预冷发动机佩刀（SABRE）、俄罗斯的深冷空气涡轮发动机（ATRDC）、美国MSE技术应用公司的射流预冷涡轮基组合循环发动机（MIPCC-TBCC）、日本的吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机（ATREX）等。其中英国的“佩刀”发动机项目近年来进展最为顺利，知名度最高，也是最有可能实现单机入轨的新概念发动机。
英国“佩刀”发动机
上述这几种发动机中，英国的强预冷发动机佩刀（SABRE）和俄罗斯的深冷空气涡轮发动机（ATRDC）最有可能成为单级入轨飞行器的发动机。这两种发动机都可统称为强预冷涡轮火箭基组合循环发动机（TRRE）。根据最近的报道来看，我国正在研制的“云龙”发动机也是这种发动机。
强预冷涡轮火箭基组合循环发动机（TRRE）的原理是，通过进气锥吸入空气，流经预冷器以极快速度冷却1000℃，然后由涡轮喷气发动机吸入，在火箭发动机与涡轮喷气发动机共用的燃烧室喷入燃料点火燃烧。其外包的冲压发动机则有独立燃烧室，可独立工作。
初始阶段，强预冷涡轮火箭基组合循环发动机（TRRE）以涡轮发动机模式工作，加速至3马赫左右，涡轮火箭发动机外包的超燃冲压发动机继续加速至5.5马赫、飞行高度达到26公里左右，然后切换成纯火箭动力继续加速至入轨速度。
二、我国的涡轮基组合循环发动机（TBCC）、火箭基组合循环发动机（RBCC）已完成首飞，涡轮火箭基组合发动机（TRRE）完成关键技术突破，三种发动机进度均领先世界，包括美国！
我国的三种新概念空天动力涡轮基组合循环发动机（TBCC）、火箭基组合循环发动机（RBCC）、涡轮火箭基组合发动机（TRRE）三种发动机分别由中航工业集团、航天科技集团、航天科工集团主导研发，技术难点依次递增。
美国涡轮基组合循环发动机（TBCC）
2019年1月初，中航工业成飞所王海峰总师同志透露国产TBCC组合发动机已经完成试飞验证。这种发动机很有潜力发展成为六代机发动机、中国版SR72高超音速侦察机和空天飞机的第一级发动机，也是我国研制成功的第一种高超音速组合循环动力。这种发动机可看做是美国J58涡轮喷气—亚燃冲压组合循环发动机的升级版，即涡轮喷气—亚燃/超燃冲压组合循环发动机。美国正在研制的SR72高超音速侦察机就是采用这种动力。按照几年前美国媒体的报道，SR72计划在2020年首飞。此前有消息说中国版SR72进度已经首飞，那就意味着领先美国。
美国SR-72高超音速侦察机
CC）还要大的高超音速组合循环发动机，能够作为我国空天飞机的第一级动力，是我国研制成功的第二种高超音速组合循环动力。根据各国公开的消息来看，还是我国进展最快。
4月16日报道的这种新概念组合循环发动机是一种强预冷涡轮火箭组合循环发动机，技术潜力比上述两种新概念组合循环发动机大得多，是我国研制成功的第三种高超音速组合循环发动机。相比前两种发动机需要两级入轨，这种发动机甚至能够实现单级入轨！堪称颠覆性新动力！全世界来看，英国进度领先美国。根据国外媒体报道，英国已于2012年完成预冷器，2019年在美国科罗大多成功完成发动机预冷机在气流温度条件下测试，相当于达到5马赫或音速五倍。报道称英国REL公司未来计划于2020年开展发动机缩比验证核心机地面试验验证，主要验证发动机低油耗及可操作性等性能，并于2022年开始“佩刀”发动机地面集成试验验证；在此基础上，英国REL公司计划2025年完成发动机飞行试验验证，并于2030年实现发动机工程应用。
英国“佩刀”发动机研制进度计划
根据中国航天报的报道来看，我国“云龙”发动机已经完成了大尺度深度预冷器、微通道高低温换热器的设计和制造技术攻关，全新氦涡轮系统和氦压缩系统等关键技术攻关获得突破，进度很可能已经领先英国！这个是非常了不起的成就，要知道，英国的“佩刀”发动机各大核心部件可是和美国、德国等同行合作研制的，而我国是独立研制的！
三、强预冷涡轮火箭组合循环发动机（TRRE）的最大技术难点在于预冷器。
根据中国航天报的报道来看，我国正在研制的强预冷涡轮火箭组合循环发动机和英国研制已久的“佩刀”RB545发动机基本结构和原理是一样的。
这种发动机的最大技术难点在于预冷器。根据理论计算，压缩气流想要取得良好预冷效果，要在0.01秒内实现1000℃的降温，零下150℃环境下运行，并且不能结霜，这个难度非常大。
英国REL公司预冷器样机及常温试验平台
以英国“佩刀”RB545发动机为例，国外媒体报道称，在2012年，Reaction Engines Ltd公司采用镍铬铁718合金制造的全尺寸预冷器装在了一台罗尔斯•罗伊斯Viper MK.522小型涡喷发动机前段进行了地面试验，这次用于地面试验的预冷器微管道总长50km，直径约1mm，壁厚为27μm。这些冷却结构不仅长度极长，直径极小，而且壁厚也非常小。据估计，这种构件的焊接点高达100万个以上，难度可想而知！
如此细小的微管要让超高速气流以极快的速度通过，还不能破裂，也不能结霜堵塞，难度可想而知。
四、强预冷涡轮火箭组合循环发动机可实现低成本、高效率单级入轨。
英国“云霄塔”空天飞机设计方案
以英国“云霄塔”空天飞机为例，这是一种在HOTOL空天飞机基础上提出的可水平起降、重复使用单级入轨空天飞行器方案，最新方案起飞推力325吨，有效载荷可达15吨，占比4.6%，与火箭相比大幅提高了有效载荷比例（约2.5%～4%），除此之外设计重复使用寿命可达200次，将空天运输单位酬载成本从18,000美元/公斤降至820美元/公斤，可实现空天运输的革命性突破。
需要特别说明的是，这种发动机不适合作为战斗机的发动机，因为制造难度非常大，成本将非常高昂，战斗机根本用不起，而且不适合做各种大尺度机动，也不适合战斗机使用。
五、我国的两级入轨空天飞机或在2030年前研制成功，单级入轨空天飞机最早也要在2050年才能研制成功。
我国已故冲压发动机和高超声速推进技术的奠基人刘兴洲院士曾在1998年提出设想，我国的高超声速技术的发展将分三步走：
1、2020年前，研制出高超声速巡航导弹，最大速度6马赫，射程1000~2000 km，可多平台装载；2、2020~2030年，研制出高超声速飞机，巡航速度超过5马赫，航程上万公里，实现1~2小时全球到达；3，到本世纪中叶，在前两步的技术基础上研制出空天飞机，可重复使用，跨大气层飞行，高空速度可达12~25马赫；能直接进入地球轨道，完成任务后再入大气层滑翔、水平降落。
我国“腾云”两级入轨空天飞机
目前看来，第一步已经超前完成！第二步也已经基本完成。也就是说我国或能在2030年前研制出采用两级入轨的空天飞机，实现低成本高效入轨，甚至进度还可能提前；按照目前我国的单级入轨发动机强预冷涡轮火箭组合循环发动机（TRRE）进展速度来看，单级入轨方案则可能在2050年前实现，甚至可能提前至2030年实现！
