藍箭航天液氧甲烷發(fā)動機研制進展

張小平，嚴 偉

（藍箭航天空間科技股份有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，航天技術正在由探索空間的“事業(yè)”向利用空間的“產(chǎn)業(yè)”發(fā)展。在美國國家政策支持下，Space X 等公司獲得巨大成功，憑借其獵鷹9 火箭及其Merlin 1D 發(fā)動機占據(jù)了國際商業(yè)發(fā)射市場的大部分份額。在發(fā)展過程中，Space X高度注重發(fā)動機的研制和改進，通過持續(xù)改進發(fā)展了Merlin 1A、B、C、D 四代發(fā)動機，實現(xiàn)了發(fā)動機與運載火箭的重復使用。為了滿足未來發(fā)展的需求，Space X 和Blue Origin 兩家美國商業(yè)航天公司正在分別研制Raptor 和BE-4 液氧甲烷可重復使用發(fā)動機，其技術水平達到了新的高度[1-4]。

為響應國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略，2015 年以來我國多家商業(yè)航天公司競相成立[5]，規(guī)劃發(fā)展了小型固體運載火箭、中小型液體運載火箭及其液氧甲烷發(fā)動機或者液氧煤油發(fā)動機，這將成為我國航天發(fā)展的有力補充，提高我國在商業(yè)航天市場上的競爭力。

藍箭航天空間科技股份有限公司（簡稱藍箭航天）成立于2015 年，組建了一支不忘初心、有志于中國航天的研發(fā)團隊，主要從事液體火箭發(fā)動機、運載火箭及其分系統(tǒng)研制。成立以來，藍箭航天繼承和發(fā)揚我國傳統(tǒng)的航天精神，堅持以國為重、航天報國的原則，2017 年10 月開始論證、研制80 t 級和8 t 級兩型液氧甲烷發(fā)動機。

目前，藍箭航天建成了湖州制造基地和液體火箭發(fā)動機試車臺，形成了質(zhì)量管理體系，具備了液體火箭發(fā)動機的設計、制造、冷態(tài)試驗、組件高壓熱試驗和整機熱試車的各種能力，完成了80 t 級和8 t級兩型液氧甲烷發(fā)動機整機試車，驗證了關鍵技術突破的有效性，將為我國商業(yè)航天發(fā)展提供新的動力。

本文介紹了藍箭航天液氧甲烷發(fā)動機的推進劑選擇、推力選擇、總體技術方案、性能指標、技術創(chuàng)新點、用途和研制情況。

1 藍箭航天液氧甲烷發(fā)動機研制情況

1.1 推進劑研究與選擇[6-11]

推進劑的選擇對液體火箭發(fā)動機影響重大。目前，世界各國有毒的常規(guī)推進劑已處于逐步淘汰的過程中，不應作為商業(yè)火箭主動力的選擇。無毒推進劑主要包括液氧/液氫、液氧/煤油和液氧/甲烷。液氧/液氫比沖最高，但密度很低，加之液氫成本高昂，更適用于上面級發(fā)動機；液氧/煤油和液氧/甲烷密度比沖高，更適用于助推級、一級和二級發(fā)動機。

液氧/煤油是傳統(tǒng)的推進劑，典型型號包括俄羅斯的RD-107/108、RD-170、RD-180、RD-191 等，美國的F-1、Merlin 1D，中國的YF-100、YF-115 等，廣泛用于各種一次性運載火箭。SpaceX 公司的Merlin 1D 發(fā)動機實現(xiàn)了重復使用，但由于性能、重復使用壽命、使用維護性等原因，該公司的后續(xù)型號Raptor 發(fā)動機已改用液氧/甲烷。

液氧/甲烷是近20 多年來快速發(fā)展的推進劑，21 世紀以來美國、俄羅斯、歐洲、日本均進行了研究，美國SpaceX 公司、Blue Origin 公司已選擇其用于下一代可重復使用發(fā)動機。液氧/煤油和液氧/甲烷的特性對比如下：

1）密度比沖。相同設計條件下，液氧/甲烷的組合密度比液氧煤油低20%；液氧/甲烷的理論比沖比液氧/煤油高約3%，燃燒效率高約1%，實際比沖高約15 s。由于比沖是強影響因素，綜合考慮后，兩種推進劑組合對火箭的影響不大。

2）來源與成本。航天煤油來自石化產(chǎn)品，國內(nèi)主要由克拉瑪依煉油廠提供，價格約15 元/kg；國內(nèi)外多個產(chǎn)地的液化天然氣中甲烷含量在95%以上，雜質(zhì)主要為乙烷和丙烷，總硫含量在1×10ˉ6以下，對發(fā)動機性能影響很小，可以直接用于液體火箭發(fā)動機，價格約6 元/kg，國內(nèi)多地可實現(xiàn)次日送達。2000 年前，液化天然氣尚未大規(guī)模使用，需要航天公司獨自負責生產(chǎn)、運輸、貯存，成本很高，這也是之前液氧/甲烷發(fā)動機沒有得到發(fā)展的主要原因之一。

3）冷卻特性。大型液體火箭發(fā)動機推力室內(nèi)溫度高達3 500 K 左右，必須采用推進劑進行冷卻，推進劑的冷卻性能制約著發(fā)動機的可靠性、成本和壽命。煤油的結焦溫度為560 K，比熱為1 980 J·kgˉ1·Kˉ1，黏度 為1 964×10ˉ6Pa·s；甲烷的結焦溫度為950 K、比熱為3；496 J·kgˉ1·Kˉ1，黏度為127×10ˉ6Pa·s，甲烷均大幅優(yōu)于煤油，綜合冷卻性能是煤油的3 倍以上。因此，甲烷更適合推力室的冷卻，特別是長壽命的可重復使用發(fā)動機。

4）使用維護性。使用維護性對運載火箭的發(fā)射成本和發(fā)射周期影響較大。煤油為常溫推進劑，便于貯存、運輸和加注，適用于一次性使用；但對于重復使用火箭則需要進行大量的清洗工作，同時清洗劑存在環(huán)保問題。甲烷為低溫推進劑，貯存、運輸和加注與液氧相似，比煤油復雜；但對于重復使用火箭，回收后液氧和甲烷均可快速蒸發(fā)，無需處理，24 h 內(nèi)可再次飛行。

5）對火箭的影響。甲烷的沸點為112 K，液氧沸點90 K，相差較小，可以方便地采用共底貯箱，有效縮短貯箱長度、減輕箭體重量，從而增加火箭的運載能力，降低發(fā)射成本。液氧和甲烷均為低溫推進劑，火箭貯箱可以采用自生增壓，降低成本。

綜上所述，液氧/煤油更適用于一次性使用火箭，液氧/甲烷是目前重復使用火箭的發(fā)展方向和最佳選擇。鑒于此，藍箭航天選擇采用液氧甲烷推進劑。

1.2 發(fā)動機推力選擇

發(fā)動機的推力選擇主要考慮其用途，即火箭及其應用市場。發(fā)動機推力和火箭方案選擇的是否合理，將嚴重影響其應用前景。我國CZ-2/3/4 系列運載火箭及其YF-20 系列發(fā)動機頂層規(guī)劃堪稱完美，以一型主發(fā)動機和一型游機組成火箭一、二級動力，發(fā)動機品種少、效率高，成本在獵鷹9 火箭大幅降低價格之前為世界最低，50 年來支撐著中國航天的發(fā)展，是國之脊梁。

我國商業(yè)航天火箭發(fā)動機的選擇需要重點考慮火箭未來的市場前景和我國的技術基礎、研制體系、基礎設施等。根據(jù)商業(yè)發(fā)射市場分析，未來中、小、微衛(wèi)星市場龐大，需要火箭具有1 t 以上700 km SSO 軌道的運載能力。我國目前運載火箭的技術體系是2.25、3.35 和5 m 直徑。2.25 m 直徑的火箭運載能力過小，難以取得盈利；5 m 直徑的火箭規(guī)模過大，對于初創(chuàng)的商業(yè)航天來說研制經(jīng)費難以支持；因此，商業(yè)航天最佳選擇是3.35 m 直徑的火箭，5 m 直徑的火箭作為未來發(fā)展的選擇。

對于商業(yè)航天公司，較佳的選擇是先發(fā)展技術難度較低的一次性使用火箭，然后發(fā)展難度較大的可重復使用火箭。藍箭航天的選擇是先發(fā)展3.35 m 直徑的中型火箭，按照3.35 m 直徑火箭的允許高度，確定液氧甲烷火箭的起飛質(zhì)量和起飛推力。藍箭航天的發(fā)動機海平面推力優(yōu)化選擇為67 t，用于二級的發(fā)動機采用大面積比噴管，真空推力為80 t。為了滿足二級火箭姿態(tài)控制的需求，提高兩級火箭的運載能力，火箭二級采用1 臺4 推力室的游動發(fā)動機，真空推力8.2 t。未來發(fā)展三級火箭時，可以將8 t 級發(fā)動機的4 臺推力室改為1 臺大面積比推力室，形成8.8 t 推力的三級發(fā)動機。同時，80 t 級發(fā)動機具備重復使用的能力，未來可以在5 m 直徑內(nèi)布置9 臺，形成大型可重復使用火箭的動力。

藍箭航天主發(fā)動機推力選擇80 t，適用于中型和大型運載火箭，滿足火箭一級和二級的需求，具有非常良好的應用前景。

1.3 發(fā)動機循環(huán)方式選擇[6]

動力循環(huán)方式是發(fā)動機最關鍵的技術路線，主要包括燃氣發(fā)生器循環(huán)、補燃循環(huán)以及膨脹循環(huán)等。

燃氣發(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)簡單、壓力低，對材料、工藝的要求低，研制難度較低、周期較短、投入較少、成本較低、性能適中，更適合規(guī)模較小的商業(yè)航天公司。同時，更為重要的是發(fā)動機的力、熱環(huán)境較好，便于實現(xiàn)重復使用。

補燃循環(huán)包括富氧補燃、富燃補燃和全流量補燃，其比沖性能比燃氣發(fā)生器循環(huán)高約10%，但系統(tǒng)復雜，壓力是燃氣發(fā)生器循環(huán)的幾倍，研制難度大、周期長、投入多、成本高，更適合大型航天公司。補燃循環(huán)也可實現(xiàn)重復使用，但由于力、熱環(huán)境非常復雜，研制難度大。

膨脹循環(huán)分為開式膨脹循環(huán)和閉式膨脹循環(huán)，一般用于液氧液氫發(fā)動機。這是由于氫的分子量只有2，渦輪的做功能力較強。對于液氧甲烷發(fā)動機，甲烷的分子量為16，渦輪的做功能力遠低于氫，如采用膨脹循環(huán)則發(fā)動機比沖很低，因此，液氧甲烷發(fā)動機不適宜采用膨脹循環(huán)。

通過上述分析，藍箭航天兩型液氧甲烷發(fā)動機均采用燃氣發(fā)生器循環(huán)。

1.4 發(fā)動機總體方案

藍箭航天80 t 級液氧甲烷發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，單臺推力室、同軸式渦輪泵、泵后搖擺、火藥點火（后期采用火炬點火實現(xiàn)多次點火）、分級起動、自生增壓。8 t 級發(fā)動機采用4 臺推力室，其余系統(tǒng)配置與80 t 級發(fā)動機相同。兩型發(fā)動機主要系統(tǒng)組成如下。

氧化劑供應系統(tǒng)：由主系統(tǒng)和副系統(tǒng)組成，包括氧泵、氧主閥、氧副閥、推力調(diào)節(jié)閥、節(jié)流圈及相應管路等組成。

燃料供應系統(tǒng)：由主系統(tǒng)和副系統(tǒng)組成，包括燃料泵、燃料主閥、燃料副閥、混合比調(diào)節(jié)閥、節(jié)流圈及相應管路等組成。

燃氣系統(tǒng)：由推力室、燃氣發(fā)生器、燃氣導管、渦輪及排氣管組成。主要功能是驅(qū)動渦輪做功，為氧換熱器提供加熱熱源，組織燃燒產(chǎn)生推力。

控制與吹除系統(tǒng)：由控制氣瓶、吹除氣瓶、自鎖電磁閥、控制電磁閥及相應管路、電纜等組成。主要功能是控制閥門的打開、關閉，并提供吹除氣源。

點火起動系統(tǒng)：由火藥點火器、火藥起動器及相應電纜等組成。主要功能是在發(fā)動機起動時，帶動渦輪泵起旋，點燃推力室、燃氣發(fā)生器中的推進劑。

預冷回流/泄出系統(tǒng)：主要由吹除單向閥、節(jié)流圈、預冷泄出閥、預冷回流閥及相應管路組成。主要功能是發(fā)動機預冷時完成推進劑的回流、泄出與排放。

貯箱增壓系統(tǒng)：由氧自生增壓系統(tǒng)和燃料自生增壓系統(tǒng)組成，包括增壓氣蝕管、增壓單向閥、節(jié)流圈、換熱器及相應管路等組成，主要功能是為貯箱提供增壓氣源。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)：由推力調(diào)節(jié)閥、混合比調(diào)節(jié)閥和控制電機組成。通過電機運轉(zhuǎn)，改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量和壓力，實現(xiàn)推力和混合比調(diào)節(jié)。

推力矢量控制系統(tǒng)：由常平座、軟管和伺服機構組成。通過伺服機構控制推力室擺動，從而控制推力方向。

熱防護系統(tǒng)：由隔熱包覆層等組成，主要功能是對低溫及高溫部件進行包覆，減少低溫部件和高溫部件的熱傳導。

1.5 發(fā)動機主要性能

發(fā)動機主要性能參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要性能參數(shù)Tab.1 Technique targets of the engine

2 發(fā)動機技術創(chuàng)新點

藍箭航天以國內(nèi)外和行業(yè)內(nèi)外的最新技術為基礎，勇于創(chuàng)新，突破并采用了一系列先進技術，主要包括：

1）80 t 發(fā)動機是國內(nèi)首臺作為工程型號的液氧甲烷可重復使用發(fā)動機，相關技術代表著航天主動力的發(fā)展方向，研發(fā)的故障診斷、使用維護技術已在多次試車中得到初步應用。

2）大型泵壓式液體火箭主發(fā)動機大范圍推力調(diào)節(jié)技術，設計調(diào)節(jié)范圍50%～110%，具備分級起動功能，達到國內(nèi)先進水平。

3）液氧甲烷高效穩(wěn)定燃燒技術，推力室燃燒效率達到0.985，燃燒室脈動壓力低于0.1 MPa，達到國際一流水平。

4）大型噴管激光焊接技術，此項技術為國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際領先水平。

5）高效率低溫泵技術，設計中采用了先進的仿真技術，氧泵效率0.80，甲烷泵效率0.72，振動幅值小于50 g，達到國際先進水平。

6）渦輪泵流體動壓密封技術，此項技術是發(fā)動機重復使用的關鍵之一，具有低泄漏、零磨損、適應多次起停等特點。

7）高精度高壓低溫調(diào)節(jié)器技術，調(diào)節(jié)器由電機、控制儀驅(qū)動，實現(xiàn)低溫發(fā)動機推力和混合比無級調(diào)節(jié)。此項技術是實現(xiàn)發(fā)動機大范圍推力調(diào)節(jié)和運載火箭回收的關鍵，為國內(nèi)首創(chuàng)。

8）采用新型密封結構的低溫閥門技術，在國內(nèi)液體火箭發(fā)動機低溫閥門中首次采用泛塞封動密封技術，大幅降低了閥門的制造成本，縮短了制造周期。

9）泵后搖擺技術，相比傳統(tǒng)的泵前搖擺技術，藍箭航天立足最新技術，采用泵后搖擺方案，可有效減小搖擺力矩和搖擺空間，實現(xiàn)單向搖擺、雙向搖擺。

10）過冷推進劑技術，瞄準發(fā)射場和火箭的工程應用，將采用過冷液氧和甲烷，以提高發(fā)動機和火箭性能。

3 發(fā)動機的用途

兩型液氧甲烷發(fā)動機主要用于藍箭航天朱雀二號系列運載火箭，該火箭繼承傳統(tǒng)的3.35 m 直徑，基本型為兩級方案，未來拓展為三級方案，一級采用4 臺80 t 發(fā)動機，二級采用1 臺80 t 發(fā)動機和1臺8 t 發(fā)動機，三級采用1 臺8 t 發(fā)動機。朱雀二號運載火箭兩級狀態(tài)的LEO 軌道運載能力為4 t、500 km SSO 軌道運載能力為2 t，三級狀態(tài)的LEO 軌道運載能力為6 t。將兩個一級捆綁為助推后，LEO 軌道運載能力可達17 t。

對于可重復使用運載火箭，可以在5 m 直徑內(nèi)布置9 臺80 t 發(fā)動機，或者在3.8 m 內(nèi)布置5 臺，形成可重復使用航天動力裝置。

4 研制進展

按照“動力先行”的原則，2017 年10 月開始論證和研制兩型液氧甲烷發(fā)動機。2019 年5 月，完成了80 t 發(fā)動機80%工況20 s 整機試車，完成模樣研制。2019 年7 月，完成了80 t 發(fā)動機100%工況100 s 整機試車，試車中發(fā)動機海平面推力設計值為658 kN、實測值為667 kN，海平面比沖設計值為283.5 s、實測值為284.5 s，推力室室壓設計值為10.0 MPa、實測值為10.1 MPa，試車照片如圖1 所示。

圖1 藍箭航天液氧甲烷發(fā)動機試車照片F(xiàn)ig.1 Photograph of Land Space liquid oxygen/methane rocket engine hot test

按照研制計劃，2020 年5 月，將完成極限工況試車、極限邊界條件試車、搖擺試車、長程試車等全面考核，完成初樣階段研制。2020 年，完成可靠性驗證與鑒定試車，具備飛行條件，交付動力系統(tǒng)試車產(chǎn)品，初步形成批產(chǎn)交付能力。2021 年，發(fā)動機重復使用次數(shù)達到10 次以上。

5 結束語

當前，航天技術正在快速蓬勃發(fā)展。響應國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略，2015 年以來我國多家商業(yè)航天公司競相成立。根據(jù)對未來發(fā)射市場的研究，藍箭航天選擇80 t 和8 t 兩型液氧甲烷發(fā)動機作為發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)動機均采用燃氣發(fā)生器循環(huán)、泵后搖擺、分級起動，創(chuàng)新研發(fā)了十余項先進技術，預計2020 年具備批生產(chǎn)交付飛行能力，為我國航天發(fā)展提供新的動力。