[科普中国]-吸气式火箭

简介

该发动机是世界上第一个基于火箭的极超音速复合循环发动机，由碳氢化合物和经过严格筛选的过氧化物推进剂添加燃料并进行冷却。吸气式发动机在使用时通过经特殊设计的火箭上的吸气管获取初始推进动力，同常规火箭相比，可提高15%的性能。一旦火箭加速到2倍音速以上，常规火箭发动机被关闭，发动机仅依靠大气层中的氧气来燃烧其氢燃料。当火箭加速到10倍音速以上时，发动机转为常规火箭推进系统，将航天器送入轨道。

吸气式火箭动力宇宙飞船可能是普通人进入太空的希望所在。 吸气式发动机在使用时通过经特殊设计的火箭上的吸气管获取初始推进动力，同常规火箭相比，可提高15%的性能。一旦火箭加速到2倍音速以上，常规火箭发动机被关闭，发动机仅依靠大气层中的氧气来燃烧其氢燃料。当火箭加速到10倍音速以上时，发动机转为常规火箭推进系统，将航天器送入轨道。

发动机吸气式火箭发动机又称火箭基组合循环发动机，这种发动机和喷气发动机非常类似。在喷气发动机中，首先由压缩机吸入空气。然后发动机对其进行压缩，并将其与燃料混合燃烧。燃烧后产生急剧膨胀的气体，从而提供助推力。喷气发动机的最大飞行速度只有3到4马赫，如果速度更高，则发动机部件将会过热。在超音速冲压式喷气发动机中，空气由进气口进入发动机。空气将在飞行器加速穿过大气层的过程中减速并被压缩。形成的超音速气流再与燃料混合并燃烧。吸气式火箭发动机最有可能使用的燃料是液氢或烃类燃料。

基本构造吸气式引擎的基本构造就是在飞行器的前端留有一入口用于呼吸空气。至于下一步如何运作，这将依赖于具体的设计方案。喷气引擎就是一种普通的引擎，它是利用引擎几何学来使得空气减速。但是，喷气引擎的不足之处在于它只适用于相对较低的速度。而在高超音速条件下，也就是相当于5倍的音速(即5马赫的速度)条件下，被减速的空气温度太高，无法用于燃料的燃烧。解决这一问题，流行的做法就是使用超音速冲压喷射装置。这种装置不会让空气减速太多，相反却可以迅速地将高速流动的空气与燃料相混合从而产生推进力。但是，超音速冲压喷射装置也只适用于5马赫的速度。这意味着，必须要有另外其他的系统来推动飞机达到高超音速。2

与传统火箭发动机区别在传统的火箭发动机中，液体氧化剂和燃料被同时灌入燃烧室里进行燃烧，从而产生高压、高速的热气流。这些气流流经一个喷嘴，速度得到进一步提升（喷射速度通常在8,000到16,000公里/小时），然后喷出发动机。这一过程为宇宙飞船提供了助推力。 NASA相信，如果能卸掉液态氧化剂，就很容易降低航天飞机的发射重量，因为这样做可以使航天飞机重量立刻降到约141万公斤。虽然减重后的航天飞机仍然很重，但已经可以大大降低将航天飞机发射至轨道所需的成本了。

吸气式发动机从大气层中吸取空气，而不是使用液体氧化剂。吸入的空气与燃料混合后，燃烧并产生助推力。吸气式火箭发动机又称火箭基组合循环发动机，这种发动机和喷气发动机非常类似。在喷气发动机中，首先由压缩机吸入空气。然后，发动机对其进行压缩，并将其与燃料混合燃烧。燃烧后产生急剧膨胀的气体，从而提供助推力。喷气发动机的最大飞行速度只有3到4马赫，如果速度更高，则发动机部件将会过热。在超音速冲压式喷气发动机中，空气由进气口进入发动机。空气将在飞行器加速穿过大气层的过程中减速并被压缩。形成的超音速气流再与燃料混合并燃烧。吸气式火箭发动机最有可能使用的燃料是液氢或烃类燃料。

存在问题及解决办法吸气式火箭的效率虽高，但还无法提供飞船起飞所需的助推力。针对这个问题，目前有两个可供考虑的选择：NASA可以使用涡轮喷气发动机或吸气增强式火箭（air-augmented rocket）来执行发射任务。吸气增强式火箭就像一台常规火箭发动机，只是当飞行速度超过一定值（大约在2马赫到3马赫之间）时，它能够使燃料与大气层中的空气发生进一步氧化，并且速度可以达到10马赫，然后，它又重新变为常规火箭。吸气增强式火箭安放在进气管道中，其性能可比常规火箭高15%。另外，NASA正在制订利用磁悬浮轨来发射吸气式火箭的计划。借助于磁悬浮轨道，飞行器将在升空前获得最高960公里/小时的速度。

当飞行器升空并且速度达到声速的两倍以后，吸气增强式火箭将停止工作。此时，助推力将由吸气式火箭提供。该火箭将在大约一半航程中吸入氧气来燃烧燃料。这样做的好处是：宇宙飞船不必携带像传统宇宙飞船那么多的氧气，从而降低发射成本。当宇宙飞船的速度达到声速的10倍以后，它将重新变为由常规火箭推进的系统，直至进入预定轨道。因为这样做减轻了氧化剂的重量，所以这种宇宙飞船将比目前的宇宙飞船更容易操纵。这意味着，乘坐由吸气式火箭推进的飞行器旅行将变得更加安全。总有一天，普通人将可以乘坐这样的飞行器进行太空旅行。

马歇尔空间飞行中心和位于克利夫兰的NASA Glenn Research Cente计划在2005年以前，独立设计一台轻型吸气式火箭发动机以进行飞行示范。该项目将验证是否能够制造足够轻的吸气式火箭发动机，以供运载火箭使用。3

应用举例1984年，英国航天部门提出了HOTOL水平起飞的单级入轨可重复使用运载器方案。该方案采用一种新型的吸气式火箭发动机，它通过燃烧压缩的空气而不是液氧，能够达到马赫数为5的飞行速度。英国航天局(BAe)和欧空局在带翼体运载器外形研究计划中对HOTOL方案进行了较为深入的研究。20世纪90年代初，该方案最终被过渡型HOTOL方案替代——这个方案由英国和俄罗斯联合提出，它用俄罗斯的RD-0120发动机代替了吸气式火箭发动机(吸气式火箭发动机存在技术风险)。这种飞行器将从俄罗斯的An一225飞机上驮附发射。Alan Bond曾是HOTOL方案吸气式推进系统的提出者，后来他将HOTOL方案进一步发展为SKYLON方案。他的公司Reaction Engines Ltd，现在正在将这种新的飞行器重新设计为一种可重复使用运载器，该公司是私营的。1

发展目前，最先进的超高音速吸气式引擎体型很小，很适合作为火箭推进系统。历史上，飞行最快、体型最长的吸气式模式超高音速飞机是美国宇航局的X-43。X-43超高音速飞机大约长为5米，在2004年分别以7马赫和10马赫的速度试飞过两次，每次大约持续时间为10秒钟。2009年下半年，这一记录将可能发生变化。美国空军计划试飞X-51。采用B-52轰炸机将其送到15千米高空。预计飞行速度将达6马赫，持续时间大约4到5分钟。美国宇航局的技术专家相信，如果卸掉火箭的液态氧化剂，就能很地容易降低航天飞机的发射重量，因为这样做可以使航天飞机重量立刻降到约141万公斤。虽然减重后的航天飞机仍然很重，但已经可以大大降低将航天飞机发射至轨道所需的成本了。