论文赏析英国空天飞机云霄塔的总体方案设计及任务需求分析

　　作者邓帆陈林宋巍陈瞳王竹溪
　　来源飞航导弹2017年第2期
　　摘要随着预冷技术、氦气冷却环路集成以及膨胀偏转喷管等关键技术的突破，组合循环发动机佩刀取得阶段性成果，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云霄塔的关键技术研究进展，并对其系列化的布局迭代过程进行了分析，通过采用动力系统从吸气到火箭模态的转换完成单极入轨，云霄塔大幅降低了发射成本及战术反应时间，并根据任务需求和市场定位拓展出相应型号，欧空局将其定位为欧洲下一代卫星发射系统，预计在2024年正式投入商业运营。
　　引言
　　将卫星或其它有效载荷送入太空主要有两种方式。一是采用运载火箭发射进入预定轨道，二是通过航天飞机运送入轨，两者的成本和周期都很高，随着航天技术的日益发展，为降低天地往返运输费用，各航天强国在20世纪末纷纷提出空天飞机方案，美国国家空天飞机计划（NASP）提出采用超燃冲压发动机的水平起降飞行器X30；德国桑格尔提出两级入轨方式，第一级实际上相当于一架超声速运输机，第二级是以火箭发动机为动力的有翼飞行器，英国霍托尔采用罗罗公司设计的B545吸气式氢氧发动机实现单极入轨，由于当时的技术难度及研制经费限制相继下马。近年来，随着市场需求的增长及航天技术的进步，对提高发射频次及降低发射成本的需求使得各国开始再次关注可水平起降的空天飞机方案。作为目前全球唯一采用预冷组合发动机的空天飞机方案，英国EL公司的云霄塔采用单级直接入轨的方式，与运载火箭相比较，在发射频次和发射成本上均具有较大优势。
　　1预冷组合发动机
　　11发动机技术发展路径
　　从发动机到飞行器总体方案，云霄塔继承了部分霍托尔的技术成果。作为霍托尔的核心发动机，B545的主要特点是在大气层内对进入高总压比涡喷发动机循环的空气采用了预冷技术。当飞出大气层后，则切换到使用自带液氧模式的氢氧火箭状态，随后云霄塔方案中佩刀考虑到高超飞行的气动热对发动机结构的影响以及发动机的高推力性能需求，在预冷器、氦气冷却环路集成和尾喷管设计等关键技术上开展了系列技术验证，如图1所示。EL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，从方案的可行性层面对发动机技术进行了阶段论证。
　　按照系统规划，2017年完成佩刀原型机制造，2022年试验飞行器开展飞行马赫数5的大气层内试飞，测试预冷吸气式模态的性能，在欧空局的研制进度表中，2024年将同步完成与空天飞机配套的基础设施建设。
　　12关键技术地面试验验证
　　佩刀发动机具备两种工作模式，吸气式模式和火箭模式，带有一台预冷涡轮压缩机，可以给燃烧室提供高压空气，这使其能够在上升阶段以吸气模式从跑道以飞行马赫数046起飞，在25km高度加速至飞行马赫数55，在此期间空气进入发动机燃烧室之前通过预冷器降温，氢燃料在进入燃烧室之前作为闭循环氦回路的冷却剂；通过吸气式模式，与传统火箭相比较，可大幅降低氧化剂消耗及飞行器总质量（NASP计划中X30起飞时携带了70总重的推进剂）；在飞行马赫数55之后发动机切换到纯火箭模式，将云霄塔推进达到入轨速度飞行马赫数25。
　　在发动机关机技术中，核心是预冷器及尾喷管的设计及验证。预冷器的作用是保证进入发动机的空气能够在001s内由1000降温至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喷射引擎动力实验场的系列地面试验，验证了预冷器的高速降温能力。
　　在发动机喷嘴设计过程中，尾喷管必须适应从地面到太空所有大气压力环境，不能有过度热胀冷缩现象影响性能。由布里斯托大学牵头完成了两项试验工作，如图3所示，膨胀偏转喷管静态试验（STEN）以及装有冷却推力室火箭静态试验（STICT）。第一项试验证明了在大范围压比条件内，膨胀偏转喷嘴内的流动呈现稳定状态；第二项试验研究了喷流的高速稳定性以及发动机壁面的热流规律，通过水冷系统延长工作时间，并探索喷管内的热交换器性能，同时针对喷管进行了选型工作，通过喷管外形优化可增大发动机功率，使运载能力增加10。
　　2气动布局方案设计
　　21霍托尔布局设计质心匹配研究
　　在云霄塔的总体设计中，吸取了霍托尔的经验教训，重点关注气动布局。霍托尔布局方面产生的主要问题是由于质量较大的发动机及液氧供应系统都安装在尾部，使得飞行器质心靠后。风洞试验显示在动力系统吸气工作过程中，随着马赫数的变化，压心变化巨大，改进设计中对机身和机翼进行了大幅调整，并采用了一套较重的液压系统来改善稳定性问题，但使得有效载荷搭载能力下降。同时为弥补载荷，压缩了起落架的空间，起飞时不得不采用火箭撬助推，但在与纯火箭动力飞行器的比较中已凸显了成本劣势，为此调整了地面起飞方案。
　　通过与苏联合作，缩比设计的霍托尔搭配改进版的安东诺夫An225，采用背驼式发射，并在苏联中央空气动力研究所开展了风洞试验，如图4所示，方案是用An225将霍托尔带到9km高空释放，然后霍托尔火箭发动机启动，进入轨道后投放45t载荷，最终因为方案的技术难度过大，此计划在1992年被欧空局和英国政府中止。
　　22云霄塔飞行器系列化布局设计
　　云霄塔项目的最终目标是建造一种可在机场跑道起飞和降落，能够向轨道空间运送货物和卫星等有效载荷的可重复使用运载器，在霍托尔的布局基础上进行了较大幅度的改进，三角下单翼机翼，发动机前移到机身中部，使得质心前移，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，推进剂贮箱分别前后设置，通过整体气动布局调整压心位置，完成飞行器操稳性匹配；发动机前端有一定的下弯，主要是在上升段带攻角状态下进气道能捕获尽可能多的空气，由此确定了云霄塔鸭式布局的大长细比外形。
　　20世纪90年代基础布局为C1构型，随着航天市场的发展，该方案凸显出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，为满足客户需求和拓展市场份额，需要提升运载能力，方案调整后形成D1构型，如图5所示。
　　运载能力的提升主要通过改进发动机来实现，C1使用佩刀2，后期改进到佩刀3，而D1采用佩刀4，提升了工作在吸气模式下发动机的等效比，显著降低了液氢的消耗量，使得运载器入轨倾角范围更大，总体性能损失更小，在D1上还增加了轨道机动集成发动机SOMA，为反推火箭和燃料电池提供能量。同时为拓展高速航空市场，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构型，主要是完成大气层内远程飞行，由此可减轻佩刀火箭模式的质量，形成Scimitar发动机，富裕质量用于改进飞行器结构，扩大飞行包线及增加有效载荷质量，使得A2成为采用4台Scimitar发动机实现20000km航程、马赫数5巡航飞行的高超客机。3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，此途径主要有三点：一是动力系统工作时充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从而减轻起飞质量；二是飞行器的可重复使用，通过多次飞行降低运载器平均成本；三是水平起降，简化发射对场地设施的要求，从而减少维护费用。
　　针对发射成本的目标，产生了两种方向的航天技术改进，除英国的可重复使用空天飞机方案外，还有美国的可重复使用火箭方案，如NASP的后续项目XS1，其一级火箭设计为可重复使用，预计在2019年首飞，SpaceX研发的猎鹰9号以及重型猎鹰空天飞机方案形成强力竞争，性能参数如表1所示。
　　以单次发射进入近地轨道的载荷质量及发射成本来看，云霄塔费用较高，然而通过对运载器的多次使用，云霄塔系列与云霄塔逐步体现出明显的价格优势，如图6所示。
　　与一次性运载火箭相比较，可重复使用运载器的发射成本明显减小，猎鹰系列在5次发射后平均价格降到500美元kg以内，而云霄塔在80次发射后降到500美元kg，达到500美元kg的量级需要近200次发射，这个次数正好是云霄塔的最大重复使用次数设计指标。可见在发射价格上与云霄塔系列相比，云霄塔处于劣势，但作为一个可水平起降的高超升力体飞行器，在大气层内具有比旋成体更大的航程优势，由此可在方案设计及发射任务需求上进一步拓宽其能力。
　　4空天飞机任务需求
　　在面向任务需求进行商业评估时，系统指标主要有三点：1）近地轨道发射成本控制在1000美元2）发射失败率低于01，有效载荷损失率低于0005；3）云霄塔从接收到发射指令到执行任务时间少于5天。由欧盟发射服务运营商牵头开展的商业模式论证中，围绕云霄塔D1构型研究了多种发射方案，评估其作为下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，符合云霄塔运送15t有效载荷到达近地轨道能力的任务需求占19，为扩大市场份额，需要在原有方案中采用上面级将载荷送入更高的地球轨道和逃逸轨迹，经改进方案论证，采用两种运输载体。
　　如图8所示，一种用于装载小型有效载荷，主要用于携带小卫星（500kg级）及微型卫星（100kg级），另一种更大的载体将有效载荷送入近地轨道后，携带7t推进剂的上面级可将8t有效载荷送入地球同步轨道。除发射卫星的商业需求外，云霄塔还有两部分商业功能，轨道运输以及载人航天。轨道运输方面可向空间站运送小型有效载荷，如图9所示。
　　货舱分为5个舱段，每个舱段一次可运载200kg货物；载人航天的有效载荷是可整体快速安装的载人舱段，长93m，直径46m，一次飞行可装载20人。同时，LAPCATA2主要作为大气层内的高速载人航空运营模式，充分发挥了云霄塔的预冷组合发动机优势，在未来高超声速航空及航天领域的市场竞争方面提前做好了技术储备。
　　5结束语
　　作为可重复使用的空天飞机，通过采用预冷吸气火箭发动机，利用其独特全速域高性能动力系统，云霄塔可实现快速发射及水平起降，并且和一次性火箭运载系统比较，具有明显的发射成本优势。
　　近年来，在欧盟的支持下，已完成作为下一代欧洲发射系统的可行性论证，在卫星发射、货物运输以及载人航空航天方面完成了方案设计工作，成为未来全球发射市场有力的竞争者之一。
　　同时，凭借其高空高速的飞行模式，在军事上可随时转化为快速武器发射平台以及远程轰炸平台，因此值得对其项目研究进展保持密切关注。