无需助推器也能把火箭送入低地轨道,革命航天引擎SABRE进入核心测试阶段

革命性火箭引擎SABRE 已准备好进入核心测试阶段。有别于传统火箭仍需助推器将火箭送上天际,SABRE 引擎的概念简洁优雅:它可以让一架太空飞机直接从地面飞入低地轨道上,不再需要额外携带笨重的燃料助推器。

太空飞机(spaceplane)是指将航空飞行器与太空飞行器两者特色合而为一,推进方式直接采用火箭或是吸气式发动机(air breathing engine)的飞行器。

而SABRE(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine)是一种极音速混合动力引擎,属于单节进轨道(single stage to orbit,SSTO)太空飞机发动机,发展至今已30 年有余,波音、劳斯莱斯、欧洲太空总局等机构总投资金额达数千万英镑。

SABRE 引擎的内部结构。 (Source:欧洲太空总局)

“单节进轨道”顾名思义,和传统需要额外助推器与燃料筒的多节火箭不同,前者直接结合吸气式发动机(air breathing engine)与纯火箭发动机两种技术,可以“一飞冲天”,直接从地面飞入低地轨道。

在起飞与上升过程中,SABRE 引擎先靠吸气式发动机产生推力,将速度加速至5.4 马赫(5,961 公里/ 小时);等离地约25 公里左右时,周围空气量不足,吸气式发动机无法在吸取空气,就改切换成燃烧氢气与液氧的纯火箭发动机模式,继续将速度加速至25 马赫(29,808 公里/ 小时),以将探测器送入绕地轨道。

然而飞机以极音速飞行时,发动机材料会熔掉,为了防止这种情况发生,英国飞机制造商Reaction Engines 与欧洲太空总局于2012 年合作设计了预冷器(pre-cooler),可以在1/100 秒内将发动机吸入的1,000℃ 高温空气冷却到零下150℃;2016 年10 月,Reaction Engines 再开发出SABRE 的核心引擎,简单来说,SABRE 由预冷器、核心引擎与推力室(thrust chamber)三区块构成。

近期,欧洲太空总局正式批准核心引擎测试,Reaction Engines 将于今年进入核心引擎测试阶段,2020 年展开核心引擎、预冷器与热交换机系统的综合性能测试,如果成功,势必彻底改变现有认知的太空飞行技术:未来,新型太空飞机不再需要外部火箭助推器也能直接飞上太空,还能像航空飞机一样重复使用,发射率提高且成本大幅下降。

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