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作者邓帆陈林宋威陈瞳王竹溪
源导弹2017年第二期
随着预冷技术、氦气冷却环路集成以及膨胀偏转喷嘴等关键技术的突破，组合循环发动机佩剑取得了阶段性成果，并通过了美国空军研究实验室的方案可行性评估。 介绍了水平起降空天飞机过山车关键技术研究进展，分析了系列化布局的迭代过程。 采用动力系统通过由进气到火箭模式的转换完成单极轨道，过山车将大大降低发射成本和战术反应时间，根据任务需要和市场定位拓展相应型号，定位为欧洲新一代卫星发射系统，2024年正式商用
查词
把卫星和其他有效载荷送入太空主要有两种方法。 一是用运载火箭发射进入预定轨道，二是用航天飞机进入轨道，成本和周期都很高。 随着航天技术的发展，为了降低天地往返运输费用，各航天强国在20世纪末相继提出了空天飞机方案，美国国家空天飞机计划( NASP )提出了采用超燃冲压发动机的水平起落架X-30。 德国的桑格提出了两阶段的进入轨道方式。 第一阶段实际上相当于1架超声波速度运输机，第二阶段是以火箭发动机为动力的有翼飞行器。 英国霍尔利用洛罗公司设计的RB545吸气式氢氧发动机实现单极进入轨道，由于当时技术难度和研发费用的限制，相继下马。 近年来，随着市场需求的增加和航天技术的进步，对提高射频和降低发射成本的需求使各国再次开始关注可水平起降的空天飞机方案。 作为目前世界上唯一采用预冷复合发动机的空天飞机方案，英国REL公司的捷星采用单级直接入轨方式，与运载火箭相比，在发射射频和发射成本方面具有较大优势。
1预冷组合式发动机
1. 1发动机技术发展路径
从发动机到飞机，捷星继承了部分霍尔特的技术成果。 作为霍尔的核心发动机，RB545的主要特点是对大气层内进入高总压力比涡喷发动机循环的空气采用了预冷技术。 冲出大气层后，切换到使用带液氧模式的氢/氧火箭，然后在过山车方案中，考虑佩剑高度飞行的空气热对发动机结构的影响和发动机高推力性能的需求，预冷器、氦气冷却规则如图1所示。 REL通过与欧空局、英国航天局、美国空军研究实验室及BAE系统公司等合作，从程序可行性水平逐步论证了发动机技术。
根据系统计划，2017年佩剑原型机制造完成，2022年试验机展开了飞行马赫数5的大气层试飞，测试了预冷吸气式模式的性能。 根据欧空局的研究开发日程，与空天机组合的基础设施建设将于2024年同时完成。
1. 2关键技术地面试验验证
佩剑发动机有两种工作模式：具备向燃烧室供给高压空气的预冷涡轮压缩机的吸气式模式和火箭模式。 据此，在上升阶段，可以从跑道以吸气模式以飞行马赫数0. 46起飞，在高度25 km加速到飞行马赫数5. 5。 在此期间，空气在进入发动机燃烧室之前被预冷器冷却，氢燃料成为在进入燃烧室之前关闭氦回路的冷却剂。 吸气式模型与传统火箭相比，可大幅降低氧化剂消耗和飞机总质量( NASP计划中X-30起飞时拥有总重70%的推进剂)； 在飞行马赫数5. 5后，发动机切换到纯火箭模式，推进过山车到入轨速度，达到飞行马赫数25。
在发动机关闭技术中，核心是预冷器和尾喷管的设计与验证。 预冷器的作用是允许进入发动机的空气在0. 01 s内降温到1,000到- 150 ，同时通过防冰控制技术避免吸入空气中的水蒸气在低温下结冰。 如图2所示，经过B9喷气发动机动力试验场的一系列地面试验，验证了预冷器的高速降温能力。
在发动机喷管的设计过程中，尾喷管必须适应从地面到太空的所有大气压环境，不能出现过度的热膨胀冷却现象影响其性能。 由布里斯托尔大学牵头完成了两项考试。 如图3所示，是膨胀偏转喷嘴静态试验( STERN )和带冷却推力室的火箭静态试验( STRICT )。 第一个实验证明，在宽压力比条件下，膨胀偏转喷嘴内流动呈稳定状态； 第二个实验研究了射流的高速稳定性和发动机壁面热流规律，通过水冷系统延长工作时间，探索了喷管内换热器的性能，同时对喷管进行了选型工作，通过喷管外形的优化可以增大发动机功率，输送能力增加10%
2气动布局方案设计
2. 1大厅布局设计重心匹配研究
在过山车的整体设计中，吸取了霍特奥尔的经验教训，重点是空气的配置。 霍尔布局上的主要问题是，由于质量大的发动机和液氧供应系统安装在尾部，飞机的重心靠后。 风洞试验表明，在动力系统进气工作过程中，随着马赫数的变化，压心变化较大，改进设计对机体和机翼进行了大幅度调整，并采用较重的液压系统改善了稳定性问题，但降低了有效载荷承载能力。 同时为了弥补载荷，必须压缩起落架空间，起飞时用火箭撬辅助，但与纯火箭动力飞机相比成本优势突出，调整了地面起飞方案。
与苏联合作，将缩比设计的霍尔托和改良版的安东诺夫An-225组合起来，采用背驼式发射，在苏联中央空气动力研究所进行了风洞实验。 如图4所示，方案是用An-225将霍尔带到上空9 km释放，然后霍尔火箭发动机启动，进入轨道后再投入4. 5 t载荷，由于最终方案技术难度过大，于1992年投入欧空局和欧空局
2. 2过山车系列化布局设计
过山车项目的最终目标是在机场跑道上起降，在轨道空间建设能够运输货物和卫星等有效载荷的可复用运载工具。 在霍尔布局的基础上进行了大幅度改进，三角下单翼、发动机前向机身中部移动重心前进，安装在翼尖位置主要是避免发动机尾气对机身后段气动特性的影响，推进剂罐分别前后设置，整体气动布局调整压力中心位置完成飞机操纵稳定性匹配的发动机前端有一定的下弯，主要是在上升段有攻角的情况下进气道能捕获尽可能多的空气，从而确定了过山车式布局的大细长比外形。
20世纪90年代的基础布局是C1布局，随着航天市场的发展，该方案凸显了其运载能力不足的缺点，面对国际通信卫星质量的不断增加，为了满足客户需求和扩大市场份额，需要提高运载能力，方案调整为D1布局。 如图5所示。
运载能力的提高主要通过发动机的改进实现，C1使用佩剑-2，后期改进为佩剑-3。 另一方面，D1使用佩剑-4，提高了在进气模式下工作的发动机的等效比，显著降低了液氢消耗，更大了运载器的进场轨道倾角范围，整体性能损失更小，D1增加了轨道机动集成发动机SOMA，火箭和燃料同时为了拓展高速航空市场，在欧空局的支持下，通过长期先进推进概念和技术项目( LAPCAT )，设计了A2配置。 主要完成大气层内的远程飞行，可以减轻佩剑火箭模态的质量，形成Scimitar发动机。 富裕质量是为了改善飞机结构、扩大飞行包线、增加有效载荷质量，A2采用4台Scimitar发动机实现20，000公斤的三空天运输系统发射成本发展空天飞机的主要目的是降低航天运输费用一是动力系统工作时充分利用大气层中的氧气，减少飞机携带的氧化剂，减轻起飞质量。 二是飞机可复用，通过多次飞行降低运载器平均成本；三是进行水平起降，简化了对发射站点设施的要求，降低了维护费用。
针对发射成本目标，有了两个方向的宇宙技术的改善。 除了英国的可复用空空飞机方案外，还有美国的可复用火箭方案，比如NASP的后续项目XS-1。 其一级运载火箭设计为可复用，预计2019年首飞，Space-X研制的猎鹰9号和大型猎鹰飞天飞机方案形成强有力的竞争，性能参数见表1。
从单次发射进入低轨道的载荷质量和发射成本来看，云空塔费用较高，但经过运营商的多次使用，云空塔系列和云空塔逐渐显示出明显的价格优势。 如图6所示。
与一次性运载火箭相比，可复用运载器的发射成本明显减少，猎鹰系列运载器5次发射后平均价格降至500美元/kg以内，过山车在80次发射后降至500美元/kg，500 虽然在发射价格上，与喷气式飞机系列相比，喷气式飞机处于劣势，但作为可水平起降的先进升力体飞机，在大气层内比回转体具有更大的航程优势，可进一步拓展其在方案设计和发射任务需求方面的能力。
4空天飞机任务需求
面向任务需求进行商业评价时，系统指标主要有三点。 1 )低轨道发射成本控制在1,000美元/公斤； 2 )发射失败率小于0. 1%，有效载荷损失率小于0. 005%； 3 )过山车从接到发射指令到执行任务的时间不到5天。 欧盟发射服务运营商主导开展的商业模式论证中，以过山车D1配置为中心研究了多个发射方案，评价了作为新一代欧洲发射系统的可行性，如图7所示。
在全球发射市场份额中，满足过山车运载15 t有效载荷到达低轨道能力的任务需求占19%，为了扩大市场份额，需要在传统方案中采用更高级别的方式将载荷送入更高的地球轨道和逃逸轨迹，经过改进方案的论证
如图8所示，一个用于装载小有效载荷，主要用于携带小卫星( 500 kg级)和小卫星( 100 kg级)，在另一个更大的载波将有效载荷送入低轨道后，携带7 t推进剂的上段为8 t 除了发射卫星的商业需求之外，捷星还有两个商业功能，轨道运输和载人航天。 在轨道运输方面，可以向空间站运输小型有效载荷，如图9所示。
货舱分为五个篮子，每个篮子一次可运送200公斤货物； 载人航天有效载荷是整体快速安装的载人舱，长9. 3 m，直径4. 6 m，一次飞行可装载20人。 同时，LAPCAT A2主要作为大气层内高速载人航空运营模式，充分发挥过山车预冷复合发动机的优势，在未来高超声速航空和航天领域的市场竞争方面提前做好了技术储备。
结束语5
采用预冷进气火箭发动机作为可复用的空天飞机，利用其独特的全速区域高性能动力系统，过山车可以实现快速升空和水平起降，与一次性火箭运载系统相比，具有明显的发射成本优势
近年来，在欧盟支持下，完成了新一代欧洲发射系统可行性论证，在卫星发射、货运和载人航天方面完成了方案设计工作，成为未来世界发射市场的有力竞争者之一。
此外，通过高速度飞行模型，在军事上可以随时转换为高速武器发射平台和远程轰炸平台，因此项目的研究进展值得关注。
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