使用吸气式引擎的Skylon航天飞机

　　据英国《新科学家》网站报道，美国和欧洲的宇航局目前均在研发一种全新的“吸气式”(Air-Breathing)火箭发动机。与传统的火箭发动机相比，这种新型发动机能够从空气中吸取氧气来支持燃料的燃烧，因此在发射时无须携带笨重的氧化剂，进而大大降低航天器的重量和发射成本。美国宇航局认为，在未来40年内，“吸气式”火箭发动机有望会给人类的太空旅行带来一场全新的革命。

　　让发动机吸入空气以产生助推力并不是什么想法。几十年来，喷气式发动机一直在采用这种方式工作。超音速喷气发动机通过从大气层吸取空气作为助燃剂，来为轻型宇宙飞船提供动力，可以从根本上降低把飞船送入轨道的成本。目前，每将约半公斤重的物体送入太空轨道，需要花费约1万美元(2.2万美元/公斤)。以这个价格，把一位68公斤重的人送入太空要花费150万美元。美国宇航局的目标是在今后25年内将发射成本降低到每公斤几百美元。他们相信，卸掉目前燃烧所需的超过450吨的液体氧化剂是一条可行之路。美国宇航局的专家表示，吸气式火箭发动机技术有望使太空旅行走近普通民众。

　　作为一种正在研发中的新技术，人们难免会对“吸气式”发动机和“吸气式”航天器存在着各种疑问。以下是关于“吸气式”发动机和“吸气式”太空飞机的简要介绍：

　　1、“吸气式”发动机如何工作？

　　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。

　　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、“吸气式”发动机推进速度有多快？

　　这个问题目前还没有明确的答案，因为以当前的技术还没法实施太多的实验。但是研究人员认为，在某一特定速度下，空气的速度不足以与燃料混合而燃烧。这样也就对吸气式引擎的推进速度增加了一个限制，同时也表明它们需要依赖火箭的动力来取得进入轨道前的最后推动力。比如，通过对超音速冲压喷射飞机的速度限制评估，它们的速度大约介于12马赫至20马赫之间。因此，它们仍然没有达到25马赫的速度或者是接近轨道所必须的速度，这也意味着超音速冲压喷射飞机飞行的开始和结束阶段都需要火箭系统。

　　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。 

　　3、“施格林”航天器使用何种发动机？

　　欧洲科学家目前正在研发一种可以重复使用的太空飞机，这就是著名的“施格林”(Skylon)太空飞机。这种航天器的太空发射成本比常规航天器要低很多，有望在10年内正式投入商用。英国布里斯托尔大学工程师也参与了研发工作。“施格林”太空飞机可以重复使用，能将超过12吨的货物送入轨道，起飞和着陆使用的跑道相同。这种飞机的成败取决于“佩刀”(Sabre)火箭发动机。布里斯托尔大学参与了“佩刀”火箭发动机的研发。“佩刀”是一种独特的混合动力发动机，进入地球大气层后，能像传统喷气机一样“呼吸”空气，并在太空转换为火箭动力。

　　在吸气模式下，空气首先全被冷却并压缩，然后同氢燃料一起进入火箭发动机。在火箭模式下，氢连同液氧一起燃烧。有科学家建议“施格林”太空飞机的引擎使用热交换器，将进来的空气从5马赫速度下的1000摄氏度降至零下100摄氏度。空气的温度一旦降下来以后，就可以与低温液态氢相混合进行燃烧。与超音速冲压喷射装置不同的是，“施格林”太空飞机的设计方案就是直接采用吸气式模式，以5.5马赫的速度起飞。在26千米的高空，引擎将转换成常规的火箭动力，利用随机搭载的氧气继续燃烧燃料推动飞机进入太空。

　　4、“吸气式”发动机已取得何种进展？

　　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。

　　5、哪种发动机是最佳的选择？

　　也许有许多种方式可以飞抵轨道。如果要挑选其中最佳设计方案的话，必须要充分考虑成本、效率和飞机的可靠性。喷气发动机看起来是一种可能的引擎选择。当然，还有其他更多的选择。由于超音速冲压喷射装置可以适用于更高的速度，也许可能达到20马赫，因此，有科学家认为这应该是最有效的选择。同时，因为超音速冲压喷射飞机需要火箭系统来发射升空，然而对于飞机的轮胎来说，火箭加速太快。因此，超音速冲压喷射飞机可能需要垂直降落或依赖某种轨道系统。

　　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。美国宇航局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时，这个值大约在2马赫到3马赫之间，它才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火箭的进气管道中，其性能可比常规火箭高出约15%。