航天動力系統(tǒng)未來需求方向及發(fā)展建議的思考

陳士強(qiáng)，黃 輝，邵業(yè)濤，黃 兵

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

太空是維護(hù)國家安全和利益的制高點(diǎn)，航天動力系統(tǒng)是進(jìn)入空間和利用空間的基礎(chǔ)。隨著國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的不斷提高及人類空天活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，航天運(yùn)輸系統(tǒng)對動力系統(tǒng)性能要求也越來越高，對新型動力系統(tǒng)提出需求的領(lǐng)域也越來越廣。

航天動力系統(tǒng)通常包括主動力系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)及增壓輸送系統(tǒng)，本文分析范疇暫限于主動力系統(tǒng)，即為航天運(yùn)輸系統(tǒng)提供飛行主推力的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。我國航天動力系統(tǒng)經(jīng)過60年的發(fā)展，形成了以長征系列運(yùn)載火箭一級、二級、助推級發(fā)動機(jī)為代表的常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)動機(jī),以CZ-3A系列運(yùn)載火箭三級為代表的低溫液氫/液氧發(fā)動機(jī)和涵蓋多直徑、全系列產(chǎn)品的固體發(fā)動機(jī)，成就了以載人航天工程、探月工程和北斗導(dǎo)航一、二期工程為典型的重大航天工程，完成了多批次、多種類、多用途的空間有效載荷發(fā)射任務(wù)，為我國國防建設(shè)、科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。我國發(fā)展的高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動機(jī)和大推力液氫/液氧發(fā)動機(jī)完善了液體火箭主動力型譜，有效地保障了新一代運(yùn)載火箭研制，推動了航天運(yùn)輸系統(tǒng)和航天技術(shù)的整體發(fā)展，助力我國探月工程三期和空間站建設(shè)；新型固體發(fā)動機(jī)的成功研制有力地推動了我國固體運(yùn)載火箭的發(fā)展，并將進(jìn)一步助力我國新一代中型運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭的論證和研制工作[1-2]。

新一代運(yùn)載火箭相繼成功首飛，“十三五”規(guī)劃陸續(xù)開展，中國航天又迎來新的發(fā)展契機(jī)。面對新機(jī)遇,迎接新挑戰(zhàn)，系統(tǒng)總結(jié)國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)和未來趨勢，結(jié)合我國航天動力系統(tǒng)特點(diǎn)，深入思考我國航天動力系統(tǒng)發(fā)展的需求、面臨的問題和解決方案，進(jìn)一步推動航天動力系統(tǒng)發(fā)展，對加快我國由航天大國到航天強(qiáng)國轉(zhuǎn)變、增強(qiáng)國防實(shí)力和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。

1 國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢及思考

1.1 國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

1.1.1 美國

美國航天動力系統(tǒng)發(fā)展的原動力為國家級的戰(zhàn)略牽引，主要出口為政府(如NASA)和軍方。從早期阿波羅登月計劃用的F-1液氧/煤油發(fā)動機(jī)和J-2液氫/液氧發(fā)動機(jī)，到航天飛機(jī)液氫/液氧發(fā)動機(jī)和大推力固體發(fā)動機(jī)，再到RS-68液氫/液氧發(fā)動機(jī)，新型動力系統(tǒng)的出現(xiàn)都是以服務(wù)美國國家戰(zhàn)略為目標(biāo)。隨著商業(yè)航天的發(fā)展，美國一方面從政府層面積極將已有成熟技術(shù)轉(zhuǎn)移到商業(yè)領(lǐng)域，創(chuàng)造更大的市場價值；另一方面不斷鼓勵私人公司利用商業(yè)資本和市場機(jī)制，基于政府轉(zhuǎn)讓的成熟技術(shù)和政策上的牽引，以較低的投入研發(fā)或引進(jìn)新型動力系統(tǒng)，完善國家航天動力系統(tǒng)體系。

當(dāng)前階段，美國新型航天動力系統(tǒng)的發(fā)展仍然是國家在主導(dǎo)。在重型運(yùn)載火箭SLS研制的牽引下，美國陸續(xù)開展了新型液體火箭發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)的研制、試驗(yàn)工作(試車見圖1),包括基于航天飛機(jī)動力系統(tǒng)的RS-25E液氫/液氧發(fā)動機(jī)、基于通用半人馬座的RL10系列液氫/液氧發(fā)動機(jī)和新型五段式固體助推器[3]。

(a)RS-25E第二次熱試車(2018年)

(b)固體助推器熱試車(2015年)圖1 SLS發(fā)動機(jī)熱試車Fig.1 RS-25E and SRB hot fire test of SLS

商業(yè)航天領(lǐng)域，烏克蘭危機(jī)引發(fā)的美俄政治交惡進(jìn)一步發(fā)酵為美國和俄羅斯航天企業(yè)間的“RD-180發(fā)動機(jī)”風(fēng)波。在此背景下，美國ULA公司積極探索可替代RD-180的發(fā)動機(jī)，其選擇包括航空噴氣-洛克達(dá)因公司的AR-1液氧/煤油發(fā)動機(jī)(見圖2)和Blue Origin公司的BE-4液氧/甲烷發(fā)動機(jī)(見圖3)，Vulcan火箭方案的正式發(fā)布無疑會極大地推動這一進(jìn)程；在2018年9月，BE-4成功勝出，AR-1的研制也仍在進(jìn)行。安塔瑞斯火箭的失利(2014年10月28日)迫使Orbital/ATK公司努力尋找AJ26-62發(fā)動機(jī)(見圖4)的替代品，配備RD-181發(fā)動機(jī)的新安塔瑞斯在2018年成功首飛；Falcon火箭的低成本進(jìn)一步降低了商業(yè)航天的門檻，大范圍推力可調(diào)的開式循環(huán)Merlin液氧/煤油發(fā)動機(jī)(見圖5)再次成為業(yè)界焦點(diǎn)，F(xiàn)alcon Heavy的首飛成功無疑將Merlin發(fā)動機(jī)推向了極致；BE-3液氫/液氧發(fā)動機(jī)的飛行驗(yàn)證成功(2015年5月4日)展示了商業(yè)航天對動力系統(tǒng)的巨大推動作用；米諾陶V運(yùn)載火箭的首飛成功(2013年9月7日)進(jìn)一步表明便于模塊化組合、低成本發(fā)射和提供進(jìn)入空間快速響應(yīng)能力是固體發(fā)動機(jī)與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，并且極富吸引力。

圖2 AR-1發(fā)動機(jī)設(shè)計模裝圖Fig.2 Model design of AR-1 engine

圖3 BE-4發(fā)動機(jī)Fig.3 BE-4 engine

圖4 AJ26-62發(fā)動機(jī)Fig.4 AJ26-62 engine

圖5 Merlin-1D發(fā)動機(jī)Fig.5 Merlin-1D engine

美國為了保持在航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，尤其是航天飛機(jī)的黯然離去引發(fā)的運(yùn)載能力的降低和載人航天能力的喪失之后，加速了重型火箭研制計劃。在國家戰(zhàn)略的牽引下，新型大推力航天發(fā)動機(jī)的研制成為一種必然。在商業(yè)航天方面，低成本和高可靠是永恒不變的目標(biāo)，甚至可以以犧牲部分性能為代價，典型的措施包括采用成熟的技術(shù)來避免新研發(fā)動機(jī)的高昂成本，采用推力可調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)以實(shí)現(xiàn)部分重復(fù)使用，采用新的制造技術(shù)和工藝以降低生產(chǎn)成本。美國航天工業(yè)的多元化使得航天動力系統(tǒng)呈現(xiàn)良性發(fā)展：基于國家意志展開新技術(shù)的探索和新型號的研制，而成熟的技術(shù)逐步從政府和軍用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到民用和商業(yè)領(lǐng)域，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值，并推動新興企業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步完善航天工業(yè)體系，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.1.2 俄羅斯

俄羅斯兩型新研火箭的成功首飛(2014年7月9日，安加拉1.2成功首飛；2014年12月23日，安加拉A5成功首飛)再次證明了其航天強(qiáng)國的不爭事實(shí)，也標(biāo)志著RD-191發(fā)動機(jī)(見圖6)正式在俄羅斯的工程實(shí)際應(yīng)用。系列化的高性能液氧/煤油補(bǔ)燃發(fā)動機(jī)確立了俄羅斯航天強(qiáng)國的地位，從四噴管的RD-170/171到雙噴管的RD-180再到單噴管的RD-191，在追求單噴管大推力的同時，更能體現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)模塊化發(fā)展對動力系統(tǒng)的內(nèi)在要求。高推質(zhì)比和大范圍推力可調(diào)節(jié)，使得RD-191秉承了俄羅斯液氧/煤油發(fā)動機(jī)的優(yōu)秀使用維護(hù)性。

在重復(fù)使用發(fā)動機(jī)方面，俄羅斯與歐空局展開合作，開展了伏爾加(Volga)、烏拉爾(Ural)液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研究(見圖7)，并與韓國合作研制了CHASE-10液氧甲烷發(fā)動機(jī)，但均處于地面研制狀態(tài)，尚未實(shí)現(xiàn)飛行。

受限于體制改革沖擊和經(jīng)濟(jì)形勢壓力，基于國家意志的俄羅斯航天動力系統(tǒng)雖然前進(jìn)步伐放緩，但始終沒有停止發(fā)展的腳步。強(qiáng)大的動力系統(tǒng)獨(dú)立研制能力，仍然是航天強(qiáng)國的重要支撐。

圖6 RD-191發(fā)動機(jī)Fig.6 RD-191 engine

圖7 伏爾加發(fā)動機(jī)模裝圖Fig.7 Volga engine model

1.1.3 歐洲

火神和火神2液氫/液氧發(fā)動機(jī)(見圖8)支撐了歐空局近20年的阿里安5發(fā)射任務(wù)，充分驗(yàn)證了低溫氫氧芯級加固體助推運(yùn)載方案的可靠性?？椗沁\(yùn)載火箭的成功(2012年2月13日)，芯一級發(fā)動機(jī)P80指明了整體式大推力固體發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向。阿里安6火箭最終方案的確定將進(jìn)一步牽引歐洲芬奇(Vinci)大推力(真空推力18t)膨脹循環(huán)液氫/液氧發(fā)動機(jī)(見圖9)和新型固體發(fā)動機(jī)的發(fā)展[4]，芯一級繼承阿里安5火箭的火神2發(fā)動機(jī)則節(jié)省了重新研制主動力系統(tǒng)的投資，充分運(yùn)用了已有技術(shù)。英國Reaction Engines公司提出采用組合動力發(fā)動機(jī)SABRE(見圖10)的Skylon飛行器，力求實(shí)現(xiàn)高性能跨空域工作發(fā)動機(jī)、單級入軌和多次重復(fù)使用的低成本航天運(yùn)輸解決方案，但由于技術(shù)跨度大，相關(guān)工作較工程應(yīng)用仍存在一定距離[5]。

立足預(yù)研，充分繼承，無疑是動力系統(tǒng)發(fā)展過程中有效降低成本、縮短研制周期、提高可靠性的重要舉措；而跨越式的技術(shù)發(fā)展則可能帶來不可預(yù)見的技術(shù)、周期和經(jīng)費(fèi)風(fēng)險。

圖8 火神2發(fā)動機(jī)Fig.8 Vulcain-2 engine

圖9 Vinci發(fā)動機(jī)Fig.9 Vinci engine

圖10 SABRE組合動力發(fā)動機(jī)Fig.10 SABRE combined engine

1.1.4 日本

艾普斯龍火箭的成功首飛(2013年9月14日)充分體現(xiàn)了日本在固體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。大推力固體發(fā)動機(jī)由于其高性價比、使用維護(hù)方便和潛在的軍事用途，成為航天動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。提上日程的H-3火箭論證和研制工作勢必將進(jìn)一步牽引日本航天動力系統(tǒng)的發(fā)展，主發(fā)動機(jī)LE-9(見圖11)充分繼承LE-5、LE-7的成熟技術(shù)，真空推力跨越式提高至150t，目前已完成樣機(jī)生產(chǎn)并成功開展多次熱試車[6]。

圖11 LE-9發(fā)動機(jī)Fig.11 LE-9 engine

結(jié)合自身需求開展動力系統(tǒng)研究，在已有技術(shù)基礎(chǔ)上不斷突破創(chuàng)新，避免盲目發(fā)展，不失是一種理性方案。

1.1.5 印度

GSLV-MK3的亞軌道成功首飛(2014年12月18日)驗(yàn)證了印度在固體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域強(qiáng)大的設(shè)計和生產(chǎn)能力，CE-20液氫/液氧發(fā)動機(jī)(見圖12)的多次地面長程試車的成功(2015年4月28日、2015年7月16日)無疑會進(jìn)一步增強(qiáng)印度掌握低溫上面級技術(shù)的信心。2017年6月5日GSLV-MK3的成功首飛，表明印度終于實(shí)現(xiàn)了低溫上面級飛行主發(fā)動機(jī)的國產(chǎn)化，向獨(dú)立自主發(fā)展高性能航天運(yùn)輸系統(tǒng)邁進(jìn)了一大步。

高性能低溫上面級動力系統(tǒng)已然成為先進(jìn)上面級發(fā)展的必然選擇。

圖12 C25低溫上面級和CE-20發(fā)動機(jī)Fig.12 C25 cryogenic upper stage and CE-20 engine

1.2 國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展的啟示

1.2.1 政府牽引必不可少

航天的特點(diǎn)要求政府必須對航天的發(fā)展進(jìn)行強(qiáng)有力的牽引，以國家戰(zhàn)略的形式制定規(guī)劃，為航天動力系統(tǒng)研制相關(guān)單位提供各方面的支撐，有力保障研制工作的進(jìn)行?；谏虡I(yè)模式的航天動力系統(tǒng)發(fā)展同樣需要政府給予政策上的支持。

1.2.2 大推力發(fā)動機(jī)研制勢在必行

大推力發(fā)動機(jī)的技術(shù)水平?jīng)Q定一個國家進(jìn)入空間和利用空間的能力，大推力液體發(fā)動機(jī)和大推力固體發(fā)動機(jī)的協(xié)同發(fā)展可以極大地豐富運(yùn)載火箭主動力型譜，并為國家戰(zhàn)略安全提供足夠的保障，已成為主要航天大國的共識。

1.2.3 對高性能的追求永無止境

高性能的航天動力系統(tǒng)可以有效提高航天運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合性能。高性能推進(jìn)劑和閉式循環(huán)帶來的高比沖，以及新型材料和先進(jìn)制造工藝形成的大推質(zhì)比，是航天動力系統(tǒng)發(fā)展的不懈追求。

1.2.4 優(yōu)秀的使用維護(hù)性日益凸顯

隨著運(yùn)載器綜合性能優(yōu)化、提高進(jìn)入空間快速響應(yīng)能力和實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的需求發(fā)展，大范圍推力可調(diào)節(jié)、簡化射前操作流程、液體發(fā)動機(jī)降低起動前泵入口壓力等逐漸成為航天動力系統(tǒng)的重要指標(biāo)要求。優(yōu)秀的使用維護(hù)性是航天動力系統(tǒng)走向市場的必然途徑。

1.2.5 低成本是重要發(fā)展方向

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，低成本已經(jīng)成為未來航天運(yùn)載器和航天動力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而高可靠又對產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平提出了極高的要求，其綜合結(jié)果是盡量采用高效的管理方法和成熟的技術(shù)，并積極探索可以提升效率、降低成本的新工藝和新技術(shù)。除了獲得政府資金支持之外，航天動力系統(tǒng)整體或部分回收技術(shù)是解決低成本問題的可行途徑之一。航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)(SSME)及固體助推器的多次重復(fù)使用(部分組件)，SpaceX 公司Falcon9、Falcon Heavy兩型火箭子級整體回收與再次發(fā)射，Blue Origin公司New Shepard亞軌道飛行器整體回收與再飛行為動力系統(tǒng)回收復(fù)用以降低成本提供了榜樣式的引領(lǐng)作用和示范效應(yīng)，在ULA新型火箭Vulcan中，發(fā)動機(jī)的可控回收已成為降低成本的必選項(xiàng)目。

1.2.6 高可靠是永恒的質(zhì)量要求

航天動力系統(tǒng)的可靠性決定著整個運(yùn)載器的成敗，高可靠是航天系統(tǒng)的永恒質(zhì)量要求。高可靠引發(fā)的一系列關(guān)于動力系統(tǒng)發(fā)展思路的討論尚無定論，很多時候需要在高可靠和低成本、高性能之間進(jìn)行權(quán)衡。動力冗余勢必要求電氣系統(tǒng)設(shè)計理念的突破，動力系統(tǒng)大量的地面試驗(yàn)會顯著提高研制成本，開式循環(huán)發(fā)動機(jī)必然導(dǎo)致性能的降低……面對航天動力系統(tǒng)的高可靠要求，很多工作仍有待深入展開。

2 我國航天動力系統(tǒng)需求方向及發(fā)展建議思考

2.1 我國航天動力系統(tǒng)需求方向

發(fā)展大型、重型運(yùn)載火箭及可重復(fù)使用火箭是一個國家邁向航天強(qiáng)國的必然途徑[2]，大推力、低成本、高可靠和使用維護(hù)方便是動力系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向[7]，在高可靠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低成本是重中之重。我國航天運(yùn)輸系統(tǒng)的新發(fā)展對動力系統(tǒng)提出了新的需求。

2.1.1 動力系統(tǒng)整體需求

2.1.1.1 近、中期需求

(1)大推力固體、液氧/煤油和液氫/液氧發(fā)動機(jī)

我國新一代中型運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭對大推力固體發(fā)動機(jī)、液氧/煤油發(fā)動機(jī)和液氫/液氧發(fā)動機(jī)提出了新的研制需求[2]。固體發(fā)動機(jī)需要實(shí)現(xiàn)大推力的技術(shù)突破；液體發(fā)動機(jī)不僅需要比沖、推力、推質(zhì)比等性能有所提升，還需要具備推力調(diào)節(jié)、故障診斷等功能，并大幅優(yōu)化使用維護(hù)條件。特別是基礎(chǔ)級發(fā)動機(jī)的推力構(gòu)型將直接影響總體構(gòu)型的優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)大推力的基礎(chǔ)上還必須注意衍生構(gòu)型，構(gòu)建合理梯度；而發(fā)動機(jī)大范圍節(jié)流技術(shù)則是構(gòu)型優(yōu)化的重要途徑。

(2)現(xiàn)有液氧/煤油發(fā)動機(jī)和液氫/液氧發(fā)動機(jī)改進(jìn)

現(xiàn)有液氧/煤油在比沖、推質(zhì)比、推力等方面的積極改進(jìn)措施將為新一代火箭適應(yīng)未來任務(wù)提供強(qiáng)有力支撐。同時，針對新中型、小型低成本運(yùn)載火箭上面級構(gòu)型論證中發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)化方案，結(jié)合CZ-3A系列以及CZ-5火箭的性能和任務(wù)適應(yīng)性改進(jìn)，現(xiàn)有液氫/液氧發(fā)動機(jī)的性能改進(jìn)也存在較大需求。

(3)開式循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機(jī)

與閉式循環(huán)相比，開式循環(huán)發(fā)動機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、組件相互獨(dú)立性好、研制周期短、研制費(fèi)用低的特點(diǎn)，結(jié)合推進(jìn)劑致密化可實(shí)現(xiàn)高比沖。近幾年也逐漸顯現(xiàn)出開式循環(huán)是國外液氧/煤油發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向之一[2]，我國有必要積極開展相關(guān)研究，進(jìn)一步豐富液體火箭發(fā)動機(jī)主動力型譜。

(4)先進(jìn)空射動力系統(tǒng)

空基發(fā)射具有良好的機(jī)動性、靈活性，是實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)入空間的重要途徑之一。近年來國外陸續(xù)推出了多個空射動力系統(tǒng)方案，包括如飛馬座低成本、高性能的Orion系列固體發(fā)動機(jī)，ALASA項(xiàng)目SALVO空射系統(tǒng)推出的液氧/煤油發(fā)動機(jī)，太空船二號使用的固液混合發(fā)動機(jī)等。我國亟待開展先進(jìn)空射動力系統(tǒng)的研制，為進(jìn)一步提升快速進(jìn)入空間反應(yīng)能力提供支撐。

2.1.1.2 遠(yuǎn)期需求

(1)核熱推進(jìn)系統(tǒng)

核熱火箭的比沖可達(dá)千秒量級，推力可達(dá)百噸量級，可在發(fā)射后半年內(nèi)載人登陸火星，是可預(yù)見的未來太空探索的首選推進(jìn)系統(tǒng)?；诤藷嵬七M(jìn)的載人登火方案初步論證提出了采用固體核燃料裂變加熱液體推進(jìn)劑的動力系統(tǒng)方案，比沖為903s，單機(jī)推力為150kN(總推力需求450kN)[8]，可作為火星探測火箭末級使用。

(2)凝膠推進(jìn)系統(tǒng)

凝膠推進(jìn)是在推進(jìn)劑中加入膠凝劑以獲得一種黏度大、泄漏危險性小、揮發(fā)性小的凝膠狀推進(jìn)劑，在發(fā)射時通過加壓剪切、降低推進(jìn)劑黏度，使其使用起來類似液體推進(jìn)劑，可有效提高使用維護(hù)性，但是發(fā)動機(jī)的性能(比沖)和推進(jìn)劑使用仍是制約瓶頸。

(3)可重復(fù)使用火箭發(fā)動機(jī)

可重復(fù)使用、低成本、無毒、無污染、高可靠、使用維護(hù)方便是重復(fù)使用運(yùn)載器對發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要需求?；谝貉?甲烷推進(jìn)劑組合的火箭發(fā)動機(jī)是適應(yīng)該需求的重要選擇之一。美國、歐洲、俄羅斯等均對液氧/甲烷發(fā)動機(jī)開展了大量的研究工作[9]。

液氧/甲烷發(fā)動機(jī)在同樣的循環(huán)方式下比液氧/煤油發(fā)動機(jī)比沖高10s左右，但甲烷密度低于煤油，對貯箱結(jié)構(gòu)增重明顯，密度比沖基本相當(dāng)，循環(huán)方式的選擇尤為重要。

(4)吸氣式(組合)發(fā)動機(jī)

以吸氣式發(fā)動機(jī)、吸氣式組合發(fā)動機(jī)為動力的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，由于其高機(jī)動性、可重復(fù)使用以及高超聲速巡航性能，已成為航天運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展前沿?；鸺M合循環(huán)發(fā)動機(jī)(RBCC)將火箭發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)有機(jī)地組合起來，充分利用火箭發(fā)動機(jī)高推質(zhì)比、低比沖及吸氣式發(fā)動機(jī)低推質(zhì)比、高比沖的優(yōu)勢和特色，可實(shí)現(xiàn)高效性與經(jīng)濟(jì)性的最佳組合。

2.1.2 動力系統(tǒng)性能需求

2.1.2.1 液體發(fā)動機(jī)性能需求

(1)高比沖

大幅度提高火箭比沖的方法有3種：采用性能更高的推進(jìn)劑、更好的循環(huán)方式、更大的噴管面積比。目前，3種途徑在我國都取得了長足發(fā)展，如比沖最高的實(shí)用型推進(jìn)劑組合液氫/液氧發(fā)動機(jī)已經(jīng)大幅應(yīng)用，對于閉式循環(huán)發(fā)動機(jī)無論是液氧/煤油還是液氫/液氧發(fā)動機(jī)在我國都已經(jīng)研制成功[1]，但在噴管面積比上還有發(fā)展空間。

(2)高推質(zhì)比

高推質(zhì)比意味著全箭高結(jié)構(gòu)系數(shù)，在相同的起飛質(zhì)量下獲得更高的運(yùn)載能力。在當(dāng)今以“克”為減重單位的火箭設(shè)計中，發(fā)動機(jī)高推質(zhì)比意義重大。

(3)可調(diào)節(jié)推力

發(fā)動機(jī)推力可調(diào)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭飛行環(huán)境控制、優(yōu)化飛行彈道等主動控制能力的必要手段，不僅簡化了火箭系統(tǒng)設(shè)計，而且使火箭上面級的設(shè)計更具靈活性。對于載人運(yùn)載火箭，可以通過推力調(diào)節(jié)控制過載，保證宇航員在整個飛行過程中承受的過載處于合理水平。

(4)低入口壓力

對于液體火箭發(fā)動機(jī)，貯箱內(nèi)氣枕壓力主要由發(fā)動機(jī)入口壓力決定，如果發(fā)動機(jī)渦輪泵的抗汽蝕能力提高，則可以降低渦輪泵入口壓力要求，從而降低貯箱內(nèi)的增壓要求。隨著火箭規(guī)模逐步增加，大直徑火箭貯箱一般采用內(nèi)壓設(shè)計，其工作壓力上限主要依據(jù)發(fā)動機(jī)工作時的增壓要求。降低貯箱工作壓力上限是降低貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要途徑，對于提高火箭運(yùn)載能力具有直接貢獻(xiàn)。

(5)泵后擺

大型液體火箭發(fā)動機(jī)泵后擺技術(shù)可顯著提高發(fā)動機(jī)與伺服機(jī)構(gòu)小回路的諧振頻率，增加伺服系統(tǒng)彈性振動的穩(wěn)定裕度。從國外航天發(fā)展來看，液體火箭發(fā)動機(jī)泵后擺技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。同時，采用泵后擺技術(shù)能夠降低伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計難度，使伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量減小。而泵前擺發(fā)動機(jī)可能出現(xiàn)低頻振動問題，需要通過提高常平座的剛度和增大搖擺力臂解決該問題，降低綜合性能。

(6)多次啟動

為適應(yīng)深空探測技術(shù)發(fā)展及提高運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，要求上面級發(fā)動機(jī)具有長時間在軌工作、多次啟動的能力，利于規(guī)劃軌道飛行策略,增加有效載荷質(zhì)量，拓寬飛行器執(zhí)行深空探測任務(wù)的發(fā)射窗口，使不受天氣等原因的影響，降低對地面發(fā)射支持系統(tǒng)的依賴性，從而有效提高飛行器執(zhí)行任務(wù)的適用性和靈活性。

(7)提高使用維護(hù)性

增強(qiáng)發(fā)動機(jī)使用維護(hù)性能對于提高全箭發(fā)射可靠性、降低發(fā)射成本等具有重要意義。如果在發(fā)動機(jī)的設(shè)計階段就貫徹對使用維護(hù)性能的追求，降低相關(guān)人力、物力，將極大增強(qiáng)我國新一代運(yùn)載火箭躋身國際商業(yè)發(fā)射市場的實(shí)力。具體的需求包括優(yōu)化起動程序，簡化供配氣保障要求，自動化測試流程，增強(qiáng)推遲發(fā)射適應(yīng)能力，優(yōu)化起動前程序和后處理流程等。

2.1.2.2 固體發(fā)動機(jī)性能需求

(1)大推力

當(dāng)前，我國研制的固體發(fā)動機(jī)最大推力水平仍處于百噸級(2016年8月2日成功進(jìn)行了Φ3m、2分段固體發(fā)動機(jī)地面熱試車，最大推力為150t)[1]，與世界先進(jìn)水平存在較大差距。在航天運(yùn)載領(lǐng)域，以商業(yè)固體小運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭為背景牽引，明確提出了大推力固體火箭發(fā)動機(jī)的研制需求。

(2)高性能

固體發(fā)動機(jī)的高性能指標(biāo)要求具有較高的比沖、質(zhì)量比和工作壓強(qiáng)，同時應(yīng)盡量研發(fā)高能的推進(jìn)劑和高性能纖維殼體技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，降低推力偏差，并具備沖量分配能力。

(3)低成本

低成本是固體發(fā)動機(jī)面向市場的重要途徑，尤其是在商業(yè)航天的大背景下，低發(fā)射成本可以增強(qiáng)企業(yè)的競爭力和生存能力；另外，低成本可以在一定程度上彌補(bǔ)比沖較低、推力調(diào)節(jié)能力不足等固有缺點(diǎn)對固體發(fā)動機(jī)發(fā)展的不利影響。

(4)模塊化、系列化

固體發(fā)動機(jī)向模塊化、系列化方向發(fā)展，可以適應(yīng)在運(yùn)載器芯級、助推級等不同模塊的靈活應(yīng)用，滿足總體方案論證和優(yōu)化需求，擴(kuò)展適用范圍。

2.2 我國航天動力系統(tǒng)發(fā)展建議

每一代運(yùn)載火箭的發(fā)展都離不開動力系統(tǒng)的跨越，“運(yùn)載發(fā)展、動力先行，動力發(fā)展、總體牽引”是中國航天幾十年來的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，凸現(xiàn)總體超前科學(xué)規(guī)劃的重要性。運(yùn)載火箭的動力選擇是一個多約束的總體優(yōu)化問題，需根據(jù)火箭規(guī)模、箭體制造基礎(chǔ)、動力發(fā)展水平等因素，通過“模塊化、組合化、系列化”方式，盡量減少模塊數(shù)量，構(gòu)建滿足不同軌道和不同運(yùn)載能力需求的火箭型譜，并據(jù)此確定動力系統(tǒng)解決方案。

2.2.1 以在研在飛型號性能提升為出發(fā)點(diǎn)，務(wù)實(shí)推動現(xiàn)有發(fā)動機(jī)性能改進(jìn)

運(yùn)載火箭對性能的追求是無止境的，CZ-3A系列運(yùn)載火箭和新一代運(yùn)載火箭的性能改進(jìn)與任務(wù)拓展，以及新中型[10]、小型低成本運(yùn)載火箭構(gòu)型論證中液體發(fā)動機(jī)和固體發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)化方案，對我國成熟發(fā)動機(jī)型號和新研型號提出改進(jìn)需求，包括提高比沖、推質(zhì)比(質(zhì)量比)、大推力、推力可調(diào)節(jié)、優(yōu)化使用維護(hù)性能等，為在研、在飛型號綜合性能提升提供強(qiáng)有力支撐。

2.2.2 以低成本、高可靠和可重復(fù)為目標(biāo)，積極推進(jìn)可重復(fù)發(fā)動機(jī)研制

高可靠是航天運(yùn)輸系統(tǒng)的生命線，基于高質(zhì)量的低成本將賦予運(yùn)載火箭強(qiáng)大的商業(yè)發(fā)射競爭力，可重復(fù)是低成本的重要實(shí)現(xiàn)途徑，更會引起運(yùn)載火箭總體設(shè)計和發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研究從設(shè)計理念到工程實(shí)踐革命性的改變。液氧/甲烷火箭發(fā)動機(jī)是適應(yīng)該需求的重要選擇之一。

2.2.3 以重型運(yùn)載火箭為牽引，有效落實(shí)大推力發(fā)動機(jī)研制和總體-動力一體化設(shè)計

重型運(yùn)載火箭的立項(xiàng)與研制是我國載人登月和大規(guī)?？臻g探測與應(yīng)用的必然選擇，更是一個國家邁向航天強(qiáng)國的必然途徑。我國目前已有的發(fā)動機(jī)推力均無法滿足重型的需求，大推力液體火箭發(fā)動機(jī)研制逐漸提上日程。經(jīng)過前期論證，我國重型運(yùn)載火箭對大推力液氧/煤油發(fā)動機(jī)、液氫/液氧發(fā)動機(jī)和固體發(fā)動機(jī)都提出了迫切需求，同時還需要發(fā)動機(jī)具備推力調(diào)節(jié)、故障診斷等功能。另外，結(jié)合新一代運(yùn)載火箭的研制經(jīng)驗(yàn)，在重型運(yùn)載火箭型號論證和工程研制階段，總體應(yīng)聯(lián)合發(fā)動機(jī)單位建立更廣泛的一體化設(shè)計思路，將發(fā)動機(jī)指標(biāo)納入火箭構(gòu)型設(shè)計中，形成性能、周期、經(jīng)費(fèi)等綜合指標(biāo)最優(yōu)的構(gòu)型方案。

2.2.4 以快速進(jìn)入空間為指導(dǎo)，不斷探索先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)

隨著人類對宇宙空間的探索和利用能力不斷增強(qiáng)，太空已成為維護(hù)國家安全和國家利益的制高點(diǎn)?？焖龠M(jìn)入空間能力可以保障國家在突發(fā)事件來臨時積極應(yīng)對、迅速反應(yīng)，有效維護(hù)國家安全和戰(zhàn)略主動性。美國、歐洲快速進(jìn)入空間能力正在不斷提升，為了適應(yīng)新軍事變革和先進(jìn)空間攻防的要求，服務(wù)國防現(xiàn)代化和增強(qiáng)國防實(shí)力，我國應(yīng)及時開展快速進(jìn)入空間先進(jìn)空射推進(jìn)技術(shù)的研制，包括液體發(fā)動機(jī)、固體發(fā)動機(jī)以及固液混合發(fā)動機(jī)，支撐相關(guān)運(yùn)載器的論證和研制工作。

2.2.5 以深空探測為愿景，著力開展新概念推進(jìn)技術(shù)論證

深空探測往往最能體現(xiàn)一個國家的科技創(chuàng)新實(shí)力，在這一領(lǐng)域一直都是發(fā)達(dá)國家獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。探月工程一期、二期的成功實(shí)施，充分體現(xiàn)了我國深空探測領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)取得了整體突破,已經(jīng)有能力適時開展更遠(yuǎn)的行星際探測。深空探測對航天動力系統(tǒng)提出了更高、更嚴(yán)苛的要求，包括高比沖、大推力、多次起動等。以核熱推進(jìn)為代表的新概念推進(jìn)技術(shù)成為深空探測的重要選擇，基于核熱推進(jìn)的載人登火方案的初步論證積極牽引發(fā)動機(jī)研制單位和反應(yīng)堆研制單位開展相關(guān)預(yù)研分析工作。

2.2.6 以政府牽引為主導(dǎo)，面向市場探索航天動力發(fā)展新引擎

政府的牽引始終是航天動力系統(tǒng)發(fā)展最重要的驅(qū)動力。我國新一代運(yùn)載火箭是國家層面的重大戰(zhàn)略，極大地推動了我國液體發(fā)動機(jī)和固體發(fā)動機(jī)的跨越式發(fā)展。面對新形勢，航天動力系統(tǒng)迎來了新一輪的發(fā)展機(jī)遇，這也迫切要求國家層面出臺相關(guān)的規(guī)劃助力航天發(fā)展。國際范圍內(nèi)商業(yè)航天如火如荼，如何有效利用市場機(jī)制、整合商業(yè)資本，探索推動我國航天動力發(fā)展的新引擎是當(dāng)前的另一個重要研究方向。

3 總結(jié)

航天動力系統(tǒng)的發(fā)展直接決定著我國航天運(yùn)輸體系的構(gòu)建和進(jìn)出空間的能力。本文總結(jié)了美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等航天大國和相關(guān)組織的航天動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢，深入分析了相關(guān)啟示意義；并根據(jù)我國航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來發(fā)展需求，提出我國的航天動力系統(tǒng)的需求方向；結(jié)合我國航天運(yùn)輸系統(tǒng)體系規(guī)劃和具體國情，進(jìn)一步闡述對我國航天動力系統(tǒng)發(fā)展的思考。