中國航天報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動機——“雲龍”發動機的預冷裝置已經完成了目前國内最大尺度、最大空氣流量的溫降試驗，試驗結果超出預期。
早在2018年，三院負責人曾對媒體公開表示，我國正在研制一種用于天地往返運輸并可重複使用的“空天飛機”。按計劃，“雲龍”發動機将為空天往返飛行器提供動力。
記者獲悉，去年，31所完成了該型發動機原理樣機的整機試制，并通過了第一階段的系統級地面試驗驗證。該型發動機多項關鍵技術攻關獲得突破。
空天往返飛行的新式動力
“雲龍”發動機是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一樣從地面水準起飛，再水準降落至地面，實作可重複使用的空天往返運輸。但它會比飛機飛得更快、更高，也有别于現在常見的垂直起降的運載火箭。
如何将航天器送入太空？目前最主流的方式是使用運載火箭。但火箭發動機從地面點火開始，所需要的全部動力源均需“自給自足”，要靠點燃自帶的氧化劑與燃料産生推力。據公開資料，火箭飛行時需攜帶大量氧化劑，推進劑品質占整箭品質的85%以上，這樣火箭配置設定給“乘客”——有效載荷的品質空間就大大壓縮。
為此，研究人員提出了在大氣層内爬升階段采用吸氣模式的可重複使用空天飛行器動力系統方案。這類方案利用空氣中的氧氣作為氧化劑，将有效降低推進劑消耗及所需攜帶的品質。
但事實上，人類現有的發動機分為渦輪、渦扇、沖壓、火箭等多種，每一種都有自己的工作範圍和優勢，單靠一種難以實作寬速域大空域空天往返運輸，是以，把不同的發動機組合起來，就可以完成更高的使命。尋找理想的組合動力已經成為國内外空天飛行領域最迫切任務，這其中，預冷動力方向越來越受到關注和研究，并逐漸構成了空天運輸動力的新方案。
“雲龍”發動機技術總師馬同玲介紹，最大難關之一是如何在近1000℃甚至更高溫的進氣條件下，達到高性能。當空天飛行器在大氣層内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，預冷動力技術正是引入進氣主動降溫的技術，并将多種動力的熱力循環優勢進行深度融合，進而産生更具優勢的新型熱力循環方案。
苛刻至極！0.01秒内降溫1000℃
從“十二五”開始，預冷動力技術就進入了31所專家的視野。當時，國際上此類技術已經開展基礎性研究多年，并取得了一定突破，31所團隊在初步跟蹤研究後，為該項技術的複雜性而震撼：要在0.01秒内實作1000℃的降溫，零下150℃環境下運作要求無結霜……苛刻至極！
但同樣，技術革新的魅力深深吸引着這群航天人——技術若成功突破，新類型動力将成為可能，帶來的将是航天運輸方式的颠覆性變革。
一番考量後，31所決定了，要幹。以何種投入來幹？是把它僅僅當作一種新式技術研究研究，還是把它作為一種儲備動力集智攻關？31所上司層和專家組深思熟慮後，選擇了後者。
2018年6月，以預冷動力研發為核心使命的預冷動力技術中心在31所正式成立。預冷動力技術尚處于起步階段，國外稍稍領先于前，但在工程應用上并未取得突破性進展，是以尚未拉開太大的差距。作為新型發動機總機關，31所預冷動力技術中心要與國際專家同台競技，同樣也要盡力去實作趕超。
擺在眼前的難題不容小觑。用于冷卻高溫來流的預冷器是預冷發動機的核心技術之一。作為熱量交換的裝置，預冷器在日常工程應用中随處可見，但将傳統的換熱器技術直接用于空天飛行器卻不可行。暫且不說傳統換熱器體積重量太大，就拿熱響應時間來講，與傳統的燃燒室相比，換熱器是“慢性子”，而對響應時間要求極高的飛行器顯然是個“急性子”，慢性子當急性子用，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。
“兩項核心技術決定了技術方案是否成立，幾項關鍵技術決定了能否實作工程應用。”馬同玲說。攔路虎不隻一個，要想成功，就得把它們一個一個拿下，而且必須走自主創新的道路。
已攻下多項關鍵技術
盼“雲龍”騰飛
作為國内飛航發動機“專業戶”，31所經過60多年沉澱積蓄，發動機種類非常齊全，既有渦輪、渦扇、沖壓發動機，還有固體火箭發動機，而且大量産品傳遞使用者，這為不同發動機實作動力組合提供了天然優勢，也讓團隊開展新技術攻關有了底氣。
預冷動力技術中心的主力是一群“初生牛犢”，他們平均年齡不到三十歲，既有海外留學生也有國内高材生。團隊與國内高校協同攻關，逐漸形成以31所為總體核心，涵蓋技術研究、産品設計、加工制造、試驗測試、産業化推廣等開放包容的融合研發平台。
目前，31所已經幹掉了多個攔路虎。該所預冷動力技術中心主任牛軍介紹，目前該“雲龍”發動機已經完成了大尺度深度預冷器、微通道高低溫換熱器的設計和制造技術攻關，全新氦渦輪系統和氦壓縮系統等關鍵技術攻關獲得突破。
“預冷動力技術是新型空天往返飛行器理想動力之一，越來越受到國内外重視，希望31所‘雲龍’發動機早日面世，屆時，空天運輸領域将迎來更多可能。”牛軍說。
“雲龍”是團隊給預冷發動機起的中文名字，“ICE”是它的英文名字，是“多循環深度耦合預冷發動機”的英文Incorporated multicycle Cooling Engine縮寫。團隊喜歡它、珍視它，盼它早日沖破雲霄，真正成為“雲中之龍”。
文/中國航天報記者 趙聰 通訊員 張志剛 徐陽
圖/中國航天報記者 宿東
編輯/趙聰
稽核/陳立
監制/索阿娣
來源： 中國航天報