薛伟鹏

　　低成本空天运输系统

　　摘要

　　二十一世纪人类的活动空间不止遍布地球各个角落，也不断向大气层外延伸。为了满足这一需求，本篇构想了一种低成本，能够重复利用能量和物质的环保型空天飞机，并在本篇中提出无涡轮喷气式发动机，双用压气机的模型和解决冲压发动机所存在的问题的新方法。

　　一、空天飞行的特点

　　航天飞行轨道高度大，飞行速度大，耗资巨大。而当航天器从太空返回时，其所携带的巨大的动能和势能往往不加利用地被浪费掉。所以，本方案主要考虑对这部分能量的利用。

　　二、方案简述

　　本方案为两级入轨的空天飞机，第一级采用冲压

　　三、冲压发动机的两大问题

　　冲压发动机是依靠高速迎面气流的冲压增压作用进行工作的。 因而，这种发动机具有两个问题：即发动机的自起动和燃烧效率低。

　　1、一般冲压发动机的起动速度是2马赫。所以需要由其他形式的发动机先将飞行器加速到2马赫以上。在本方案中，使用冲压发动机与喷气式发动机组合。为了有利于飞行器的高速飞行，对喷气式发动机进行改进，即去掉常规的燃烧室和涡轮。而只保留压气机和加力燃烧室。因为在高速飞行时，燃烧室和涡轮都必须承受很高的温度，甚至超过材料所能承受的最高温度。这一事实往往制约了发动机性能的提高。而在转换为冲压发动机工作状态后，这两大部件又成为了无效载荷。

　　此时，压气机由电机驱动。电机所需电能由地面站通过微波传送。为了获得驱动电机的大功率，电机的磁场由超导材料导电产生。而超导效应所需的低温环境可由放在储箱中的液氢提供。另外，这一压气机和驱动电机经过一定的模态转换，可以在第一级返航时作为发电机使用。利用压气机叶轮在气流冲击下带动叶轮内部线圈在磁场中高速转动，把航天器所具有的动能和势能转化为电能，再把电能通过微波传送回地面站。这样，就回收了航天器返回时的能量。

　　这一系统对电能，水，氢气，压气机和驱动电机进行了多次的重复利用，充分挖掘它们的作用。以满足系统正常工作的需求，并尽可能地减少设备的数量和航天器的重量，减少整个系统的复杂程度。

　　2、由于冲压发动机中气流速度很大，往往超过火焰传播的速度。所以，有很大一部分燃料未经燃烧就排出发动机外。这就是冲压发动机燃烧效率低的原因。

　　但实际上，如果点火器随气流等速运动或者是在燃烧室中布满了点火器，而不是像常规点火器那样固定在燃烧室的头部，就不会有这一问题。显然，这样的话，就不能使用常规的点火器。在本方案中使用的是单组分可自燃的火箭发动机燃料作为点火药剂。当氢气和氧气混合后，燃烧室头部另一喷嘴喷出少量点火剂与氢、氧混合，并一起流动。这样混合气就可以在点火剂的作用下，在燃烧室内任一点燃烧，而不受限于火焰的传播速度。

　　对于这一问题，还可以利用氢气和氧气在光照下就能够燃烧的性质。做法是，在燃烧室壁面布置激光发射器和组反射镜，以便在燃烧室中组成多道密集的激光网，使氢气和氧气在激光照射下迅速燃烧。

　　四、工作过程

　　地面站先利用电能电解水制备氢气和氧气，供空天飞机使用。然后通过微波向飞机输送电能，飞机利用电能驱动压气机使整机水平起飞并加速到2马赫以上。之后，地面站停止供电，发动机转为冲压发动机模式，使飞机保持以一定的爬升角度持续爬高。飞行过程中保持航速在冲压发动机最佳工作速度，以获得足够的冲压效应和尽量小的激波阻力。爬升至飞行的高度极限后轨道器与母机分离，启动自身的液氢液氧发动机飞向太空。母机以较低的速度滑翔返航。返航时发电机开始工作，并向地面站传送电能。

　　五、与现有飞行器的比较

　　这一方案对现有飞行器和发动机的优点进行组合、舍取，成为一种具备更多优点的飞行器。与普通空天飞机相比，它具有发射成本低，发动机结构简单，重量轻，燃烧效率高的优点，还把载机返航时的能量进行回收。与火箭相比，具有整机重量轻，燃料消耗量少，不受发射基地经纬度限制，能精确调整发射地点的优点。而且，这一发射系统只需一定的电能输入，即可工作。而无需由另外的庞大后勤系统提供燃料，来保证每一次飞行。因而，它的发射前期准备工作量小，各系统协调方便，发射准备时间短，可实现密集发射。

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