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中國航天報(bào)記者從中國航天科工三院31所獲悉，由該所研制的組合動力發(fā)動機(jī)——“云龍”發(fā)動機(jī)的預(yù)冷裝置已經(jīng)完成了目前國內(nèi)最大尺度、最大空氣流量的溫降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果超出預(yù)期。

早在2018年，三院負(fù)責(zé)人曾對媒體公開表示，我國正在研制一種用于天地往返運(yùn)輸并可重復(fù)使用的“空天飛機(jī)”。按計(jì)劃，“云龍”發(fā)動機(jī)將為空天往返飛行器提供動力。

記者獲悉，去年，31所完成了該型發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)的整機(jī)試制，并通過了第一階段的系統(tǒng)級地面試驗(yàn)驗(yàn)證。該型發(fā)動機(jī)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)獲得突破。

空天往返飛行的新式動力

“云龍”發(fā)動機(jī)是31所正在探索的用于空天往返飛行器的新式動力。如果成功，它能助推飛行器像飛機(jī)一樣從地面水平起飛，再水平降落至地面，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的空天往返運(yùn)輸。但它會比飛機(jī)飛得更快、更高，也有別于現(xiàn)在常見的垂直起降的運(yùn)載火箭。

如何將航天器送入太空？當(dāng)前最主流的方式是使用運(yùn)載火箭。但火箭發(fā)動機(jī)從地面點(diǎn)火開始，所需要的全部動力源均需“自給自足”，要靠點(diǎn)燃自帶的氧化劑與燃料產(chǎn)生推力。據(jù)公開數(shù)據(jù)，火箭飛行時需攜帶大量氧化劑，推進(jìn)劑質(zhì)量占整箭質(zhì)量的85%以上，這樣火箭分配給“乘客”——有效載荷的質(zhì)量空間就大大壓縮。

為此，研究人員提出了在大氣層內(nèi)爬升階段采用吸氣模式的可重復(fù)使用空天飛行器動力系統(tǒng)方案。這類方案利用空氣中的氧氣作為氧化劑，將有效降低推進(jìn)劑消耗及所需攜帶的質(zhì)量。

但事實(shí)上，人類現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)分為渦輪、渦扇、沖壓、火箭等多種，每一種都有自己的工作范圍和優(yōu)勢，單靠一種難以實(shí)現(xiàn)寬速域大空域空天往返運(yùn)輸，因此，把不同的發(fā)動機(jī)組合起來，就可以完成更高的使命。尋找理想的組合動力已經(jīng)成為國內(nèi)外空天飛行領(lǐng)域最迫切任務(wù)，這其中，預(yù)冷動力方向越來越受到關(guān)注和研究，并逐漸構(gòu)成了空天運(yùn)輸動力的新方案。

“云龍”發(fā)動機(jī)技術(shù)總師馬同玲介紹，最大難關(guān)之一是如何在近1000℃甚至更高溫的進(jìn)氣條件下，達(dá)到高性能。當(dāng)空天飛行器在大氣層內(nèi)超高速長時間飛行時，氣流溫度劇烈升高，這會使材料無法承受，壓氣級等高性能部件無法工作。要解決這個問題，不能僅依賴材料極限的提升，最直接的辦法就是降溫，預(yù)冷動力技術(shù)正是引入進(jìn)氣主動降溫的技術(shù)，并將多種動力的熱力循環(huán)優(yōu)勢進(jìn)行深度融合，從而產(chǎn)生更具優(yōu)勢的新型熱力循環(huán)方案。

苛刻至極！0.01秒內(nèi)降溫1000℃

從“十二五”開始，預(yù)冷動力技術(shù)就進(jìn)入了31所專家的視野。當(dāng)時，國際上此類技術(shù)已經(jīng)開展基礎(chǔ)性研究多年，并取得了一定突破，31所團(tuán)隊(duì)在初步跟蹤研究后，為該項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜性而震撼：要在0.01秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)1000℃的降溫，零下150℃環(huán)境下運(yùn)行要求無結(jié)霜……苛刻至極！

但同樣，技術(shù)革新的魅力深深吸引著這群航天人——技術(shù)若成功突破，新類型動力將成為可能，帶來的將是航天運(yùn)輸方式的顛覆性變革。

一番考量后，31所決定了，要干。以何種投入來干？是把它僅僅當(dāng)作一種新式技術(shù)研究研究，還是把它作為一種儲備動力集智攻關(guān)？31所領(lǐng)導(dǎo)層和專家組深思熟慮后，選擇了后者。

2018年6月，以預(yù)冷動力研發(fā)為核心使命的預(yù)冷動力技術(shù)中心在31所正式成立。預(yù)冷動力技術(shù)尚處于起步階段，國外稍稍領(lǐng)先于前，但在工程應(yīng)用上并未取得突破性進(jìn)展，因此尚未拉開太大的差距。作為新型發(fā)動機(jī)總單位，31所預(yù)冷動力技術(shù)中心要與國際專家同臺競技，同樣也要盡力去實(shí)現(xiàn)趕超。

擺在眼前的難題不容小覷。用于冷卻高溫來流的預(yù)冷器是預(yù)冷發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)之一。作為熱量交換的設(shè)備，預(yù)冷器在日常工程應(yīng)用中隨處可見，但將傳統(tǒng)的換熱器技術(shù)直接用于空天飛行器卻不可行。暫且不說傳統(tǒng)換熱器體積重量太大，就拿熱響應(yīng)時間來講，與傳統(tǒng)的燃燒室相比，換熱器是“慢性子”，而對響應(yīng)時間要求極高的飛行器顯然是個“急性子”，慢性子當(dāng)急性子用，控制難題就來了。此外，還面臨材料、工藝、控制、可靠性等等難題。

“兩項(xiàng)核心技術(shù)決定了技術(shù)方案是否成立，幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)決定了能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用?！瘪R同玲說。攔路虎不只一個，要想成功，就得把它們一個一個拿下，而且必須走自主創(chuàng)新的道路。

已攻下多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

盼“云龍”騰飛

作為國內(nèi)飛航發(fā)動機(jī)“專業(yè)戶”，31所經(jīng)過60多年沉淀積蓄，發(fā)動機(jī)種類非常齊全，既有渦輪、渦扇、沖壓發(fā)動機(jī)，還有固體火箭發(fā)動機(jī)，而且大量產(chǎn)品交付用戶，這為不同發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)動力組合提供了天然優(yōu)勢，也讓團(tuán)隊(duì)開展新技術(shù)攻關(guān)有了底氣。

預(yù)冷動力技術(shù)中心的主力是一群“初生牛犢”，他們平均年齡不到三十歲，既有海外留學(xué)生也有國內(nèi)高材生。團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)高校協(xié)同攻關(guān)，逐步形成以31所為總體核心，涵蓋技術(shù)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、試驗(yàn)測試、產(chǎn)業(yè)化推廣等開放包容的融合研發(fā)平臺。

當(dāng)前，31所已經(jīng)干掉了多個攔路虎。該所預(yù)冷動力技術(shù)中心主任牛軍介紹，目前該“云龍”發(fā)動機(jī)已經(jīng)完成了大尺度深度預(yù)冷器、微通道高低溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)攻關(guān)，全新氦渦輪系統(tǒng)和氦壓縮系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)獲得突破。

“預(yù)冷動力技術(shù)是新型空天往返飛行器理想動力之一，越來越受到國內(nèi)外重視，希望31所‘云龍’發(fā)動機(jī)早日面世，屆時，空天運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀嗫赡??！迸＼娬f。

“云龍”是團(tuán)隊(duì)給預(yù)冷發(fā)動機(jī)起的中文名字，“ICE”是它的英文名字，是“多循環(huán)深度耦合預(yù)冷發(fā)動機(jī)”的英文Incorporated multicycle Cooling Engine縮寫。團(tuán)隊(duì)喜歡它、珍視它，盼它早日沖破云霄，真正成為“云中之龍”。

文/中國航天報(bào)記者 趙聰 通訊員 張志剛 徐陽

圖/中國航天報(bào)記者 宿東

編輯/趙聰

審核/陳立

監(jiān)制/索阿娣