據中國科協5月11日消息，根據《人力資源社會保障部 中國科協 科技部 國務院國資委關於評選第二屆全國創新爭先獎的通知》要求，現將第二屆全國創新爭先獎擬表彰對象予以公示。“全國創新爭先獎”是繼“國家自然科學獎”“國家技術發明獎”“國家科學技術進步獎”之後，中國批准設立了又一個重要的科技獎項，是僅次於國家最高科技獎的一個科技人才大獎。

　　而在這項科技表彰項目公示名單中，我們赫然看到了“水下發射大型固體運載火箭”（即新一代潛射洲際彈道導彈）項目團隊，其實還有一個國防項目團隊與其同獲表彰，它就是“高超聲速強預冷空天動力”項目團隊。這一充滿了技術術語的項目讓人有點搞不清頭腦，它究竟是何種“神器”？           

　　何為“高超聲速強預冷空天動力”？

　　要科普什麼是高超聲速強預冷空天動力（空天發動機），我們先得來講講什麼是“預冷發動機”。所謂預冷發動機，是應用於高超聲速空天飛行器的多種正在預研的推進系統中極具潛力的一種。我們知道，目前航空領域最常用的是渦輪發動機，然而渦輪發動機一般只能用於3馬赫以內的較低速度區間，一旦飛行速度超過3馬赫進入高超聲速領域，渦輪發動機就會遇到來流過快、溫度升高的麻煩，而渦輪發動機的工作原理就決定了其充沛的動力來源於來流的高空“冷空氣”，通過對冷空氣“燃燒”加熱的方式釋放巨大能量，從而推進飛行器前進。而一旦空氣溫度顯著升高，則發動機性能和輸出功率就會急劇下降。一個廣為人知的例子是在阿富汗戰爭中，以美國為首盟軍使用的直升機航空兵部隊因環境氣溫過高導致直升機發動機功率嚴重下降，直升機載荷嚴重不足給機載作戰帶來了極大的困難。

　　預冷發動機通過對渦輪發動機進行冷卻，使其吸氣溫度降低，功率和性能得到提升，然後與衝壓發動機或火箭發動機進行組合，最終得到空天飛機的動力——渦輪基/火箭基組合動力發動機。

　　圖註：“佩刀”發動機模型剖視圖

　　以目前技術發展現狀來看，預冷實現途徑主要分為兩種：一是強預冷，即利用預冷器冷卻渦輪發動機； 二是射流預冷，即在壓氣機入口噴入冷卻介質使進入渦輪發動機流道的空氣流冷卻。具有代表性的預冷發動機方案包括美國MSE技術應用公司的射流預冷渦輪基組合循環發動機（MIPCC-TBCC）、英國反應發動機公司（REL）的強預冷發動機佩刀（SABRE）、日本的吸氣式渦輪衝壓膨脹循環發動機（ATREX）、俄羅斯的深冷空氣渦輪發動機（ATRDC）等。其中以“佩刀”發動機項目近年來進展最為順利，知名度最高。

　　強預冷方案猜析：或採用某種介質循環預冷卻技術

　　目前來看，世界上幾種強預冷空天發動機的預冷器的具體冷卻介質和結構各不相同，但總的原理大致相同——都是使用一種低溫介質循環工作，吸收熱量，對高超聲速來流的高溫空氣“降溫”，然後降溫的冷空氣進入渦輪發動機燃燒室工作，獲得理想的推力。

　　其中“佩刀”採用雙模態設計，採用了氦氣和氫氣兩個製冷循環迴路先後對空氣進行冷卻，其中氦氣先進行冷卻循環，而後在換熱器中冷卻，將從空氣中吸收的熱能接力交換給氫氣循環迴路，氦氣則可以重複循環使用；而通過氦氫換熱器從氦氣循環迴路中得到巨大熱量的氫氣則在預燃室里與空氣混合產生富氫燃氣後進入燃燒室摻混燃燒，為發動機提供燃料。這意味着，在“佩刀”發動機的渦輪發動機部分工作時，必須在起飛前預先攜帶一定量的液氫作為燃料。

　　圖註：“佩刀”發動機結構圖

　　日本宇航研究開發機構JAXA的ATREX發動機則直接採用液氫作為冷卻劑、驅動渦輪的氣體和燃料。經渦輪泵增壓的液氫，進入風扇前的預冷卻器、燃燒室後的熱交換器，冷卻空氣並使液氫汽化。它的原理比採用氦氣作為可重複使用循環中介換熱介質的“佩刀”相對更簡潔一些。俄羅斯的深冷空氣渦輪發動機ATRDC，也採用燃料氫作為循環預冷劑。之所以選擇液氫，是因為它既可以作為渦輪發動機在高空大氣層內工作區間的吸氣工作模態下的燃燒劑，與空氣摻混燃燒；也因為其液態時的“低溫”特性，特別適合吸熱循環。液氫吸熱後不但可以冷卻空氣，還能將自身從液態轉化為氣態，直接進行燃燒，可謂一舉兩得。這就是大多數空天發動機強預冷方案選擇以液氫介質作為循環冷卻核心方案的原由。

　　不過美國人提出過一個比較特殊的方案，美國長期研究的MIPCC 方案，是在壓氣機前部加裝液體噴射系統，通過液體蒸發來冷卻進氣道中的氣流，擴展渦輪發動機的可工作範圍。

　　雖然目前我國國產的“高超聲速強預冷空天動力”項目方案屬於機密並未公開，我們也無從得知其具體採用了何種結構和原理的設計，但我們可以猜析，它應該是基於目前比較成熟的液氫介質循環強預冷方案，即也是使用液氫作為空天飛機第一級渦輪發動機的循環冷卻介質，而在之後，它很有可能並聯火箭或超燃衝壓發動機，向大氣層更高更稀薄的臨近空間領域進發，這就是空天組合式發動機。

　　技術水平、研發進度全球領先

　　目前來看，上面提到的包括“佩刀”在內的國外幾種主要的強預冷發動機，都處於技術研發或預研階段，而從全國創新爭先獎的其他表彰項目來看，該獎表彰的是已經研發完成，取得成果，可以投入實際應用的項目，這或許意味着我國已經成功攻克了“強預冷渦輪發動機”這一關鍵性技術，已經可以將其應用在正在研發的空天組合發動機上。而強預冷發動機本身就是空天組合動力技術中最難跨越的那一個“門檻”之一。這或許表明，中國的空天飛行器發動機已經取得了最重要的突破，而且領先於美、日、俄、英等世界空天動力強國，中國發動機事業，成功實現了一次難得的“彎道超車”！

　　結語

　　高超聲速強預冷空天動力的研發成果，意味着中國的國產高超聲速空天飛機“呼之欲出”，中國的空天國防領域，將迎來一次劃時代的技術變革！