中国航天科工三院31所：研制空天往返运输“云龙”发动机

  这是“云龙”发动机的一次关键试验。所有人屏住呼吸，紧紧盯着试验屏幕上飞速下降的温度数值。随着现场指挥人员宣布试验结果，试验指标完成超出预期。中国航天科工三院31所“云龙”发动机的预冷装置圆满完成目前国内最大尺度、最大空气流量的温降试验。

  “云龙”发动机是一型由31所研制的组合动力发动机，也是31所正在探索的用于空天往返飞行器的新式动力。如果成功，它能助推飞行器像飞机一样从地面水平起飞，再水平降落至地面，实现可重复使用的空天往返运输。但它会比飞机飞得更快、更高，也有别于现在常见的垂直起降的运载火箭。

  如何将航天器送入太空？聪明的地球人尝试过数个方案，当前最主流的是使用运载火箭。但火箭发动机从地面点火开始，所需要的全部动力源均需“自给自足”，也就是说，要靠点燃自带的氧化剂与燃料产生推力。据公开数据，火箭飞行时需携带大量氧化剂，使得推进剂质量占整箭质量的85%以上，这样一来，火箭分配给“乘客”——有效载荷的质量空间就大大压缩。

  为了弥补火箭发动机的不足，研究人员提出了在大气层内爬升阶段采用吸气模式的可重复使用空天飞行器动力系统方案，这类方案利用空气中的氧气作为氧化剂，将大大降低推进剂消耗及所需携带的质量。但事实上，人类现有的发动机分为涡轮、涡扇、冲压、火箭等多种，每一种都有自己的工作范围和优势，单靠一种难以实现宽速域大空域空天往返运输，因此，把不同的发动机组合起来，集合各家之所长，就可以共同完成空天往返运输这个更高的使命。寻找理想组合动力已成为国内外空天飞行领域最迫切任务，这其中预冷动力方向慢慢的受到关注和研究，并逐渐构成了空天运输动力的新方案。

  该型发动机技术总师马同玲介绍，研制该组合动力发动机的最大难关之一，是如何在1200K以上的高温进气条件下仍可实现高性能的问题，当空天飞行器在大气层内超高速长时间飞行时，气流温度剧烈升高，这会使材料没办法承受，压气级等高性能部件无法工作。要解决这一个问题，不能仅依赖提升材料极限，最直接的办法是降温，预冷动力技术正是引入进气主动降温的技术，并将多种动力的热力循环优势进行深层次地融合，由此产生更具优势的新型热力循环方案。

  从“十二五”时期开始，预冷动力技术就进入了31所专家的视野。当时，国际上此类技术已开展基础性研究多年，并取得一定突破，31所团队在初步跟踪研究后，被该项技术的复杂性所震惊：要在0.01秒内实现1000℃降温，零下150℃环境下运行要求无结霜……简直苛刻至极。但同样，技术革新的魅力深深吸引着这群航天人——技术若成功突破，新类型动力将成为可能，带来的将是航天运输方式的颠覆性变革。

  一番考量后，31所决定了，要干。以何种投入来干？是把它仅当作一种新式技术探讨研究研究，还是把它作为一种储备动力集智攻关？31所领导层和专家组深思熟虑后，选择了后者。

  2018年6月，以预冷动力研发为核心使命的预冷动力技术中心在31所正式成立。预冷动力技术，在国际上尚处于起步阶段，国外稍稍领先于前，但在工程应用上并未取得突破性进展，尚未拉开太大差距。作为新型发动机总单位，31所预冷动力技术中心要与国际专家同台竞技，也将尽力去实现赶超。

  但摆在眼前的难题可不可以小看。用于冷却高温来流的预冷器是预冷发动机的核心技术之一，也是摆在团队面前的“拦路虎”。作为热量交换设备，预冷器在日常工程应用中随处可见，但将传统的换热器技术直接用于空天飞行器却不可行。暂且不说传统换热器体积重量太大，就拿热响应时间来讲，与传统的燃烧室相比，换热器是“慢性子”，而对响应时间要求极高的飞行器却是个“急性子”，慢性子当急性子用，控制难题就来了。此外，还面临材料、工艺、控制、可靠性等难题。

  “两项核心技术决定了技术方案是否成立，几项关键技术决定了能否实现工程应用。”马同玲说。“拦路虎”不只一个，要想成功，就得把它们一个一个拿下，必须走自主创新的道路。

  攻克“拦路虎”，31所并非没有底气。作为国内飞航发动机“专业户”，31所经过60多年沉淀积蓄，发动机种类非常齐全，既有涡轮、涡扇、冲压发动机，还有固体火箭发动机，大量产品交付用户，这为不同发动机实现动力组合提供了天赐良机，也为预冷动力团队开展新技术攻关、啃下硬骨头提供了足够底气。

  预冷动力技术中心的主力是一群“初生牛犊”，他们平均岁数不到三十岁，既有海外留学生也有国内高材生。团队与国内高校协同攻关，逐步形成以31所为总体核心，涵盖技术探讨研究、产品设计、加工制造、试验测试、产业化推广等开放包容的融合研发平台。

  大力攻关下，31所已干掉了多个“拦路虎”。31所预冷动力技术中心主任牛军说，目前该发动机已完成了大尺度深度预冷器、微通道高低温换热器的设计和制造技术攻关，全新氦涡轮系统和氦压缩系统等关键技术攻关获得重大突破。2020年，该所完成了发动机原理样机的整机试制，并通过了第一阶段的系统级地面试验验证。

  “预冷动力技术是新型空天往返飞行器理想动力之一，慢慢的受到国内外重视，希望31所‘云龙’发动机早日面世，届时，空天运输领域将迎来更多可能。”牛军说。