2019年國外航天推進(jìn)技術(shù)發(fā)展回顧

上海空間推進(jìn)研究所

苗思薇 黃振芝

一 引 言

2019年，是世界航天活動蓬勃開展的一年，全年共進(jìn)行了103次航天發(fā)射任務(wù)，也因此實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩年發(fā)射次數(shù)“破百”。在航天應(yīng)用需求的大力牽引下，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)在航天推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域碩果頗豐，并逐步形成多維度、全方位的創(chuàng)新發(fā)展格局。在液體推進(jìn)技術(shù)方面，主要由商業(yè)載人航天計(jì)劃牽引，“獵鷹”9號火箭一級發(fā)動機(jī)、BE-7火箭發(fā)動機(jī)、CST-100飛船的推進(jìn)系統(tǒng)等完成了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)。在電推進(jìn)技術(shù)方面，呈現(xiàn)爆炸式增長趨勢，霍爾推力器、肼電弧推力器等相繼應(yīng)用于各類衛(wèi)星，大功率電推進(jìn)系統(tǒng)開展全功率試驗(yàn)。在固體推進(jìn)技術(shù)方面，“獵戶座”飛船的發(fā)射中止系統(tǒng)完成逃逸試驗(yàn)，分離發(fā)動機(jī)完成研制。在吸氣式推進(jìn)技術(shù)方面，美國諾思羅普·格魯曼（Northrop Grumman）公司研制的吸氣式高超聲速發(fā)動機(jī)推力超過57.8kN，創(chuàng)下美國空軍在該領(lǐng)域的新紀(jì)錄。在固液混合推進(jìn)技術(shù)方面， 英國維珍 銀河（Virgin Galactic）公司的“團(tuán)結(jié)號”太空船成功地被發(fā)射到太空邊緣，該太空船采用可提供320kN推力的固液混合發(fā)動機(jī)，持續(xù)工作近60s；而為提高燃燒效率，增材制造技術(shù)正逐漸應(yīng)用于先進(jìn)的固液混合火箭。在其他先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)方面，美國國家航空航天局（NASA） 在 2019年完成了用于核熱推進(jìn)的低濃縮鈾反應(yīng)堆重要概念設(shè)計(jì)評估和研究工作，并將重點(diǎn)關(guān)注模塊化、可持續(xù)性設(shè)計(jì)。此外，引力推進(jìn)和量子推進(jìn)的理論研究也取得了相關(guān)進(jìn)展。

二 液體推進(jìn)技術(shù)

（一）美國

2019年，NASA的商業(yè)載人航天計(jì)劃獲得重大進(jìn)展。2019年3月，美國太空探索（SpaceX）公司的“獵鷹”9號火箭搭載“載人龍”飛船，完成了首次無人測試發(fā)射，并成功回收了火箭一級助推器；4月，成功完成對承擔(dān)首次載人發(fā)射任務(wù)的“獵鷹”9號火箭一級發(fā)動機(jī)的靜態(tài)熱試車考核。2019年5月，美國藍(lán)色起源（Blue Origin）公司打造的 New Shepard亞軌道飛行器進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，以為載人飛行做準(zhǔn)備；同期，該公司的BE-7發(fā)動機(jī)首次公開亮相，這是一款高效的變推力發(fā)動機(jī)，具有重啟能力并可為空間推進(jìn)提供動力。同月，美國波音公司的 CST-100 Starliner完成了關(guān)鍵推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M了推力器在軌機(jī)動和高低空狀態(tài)下的任務(wù)中止模式。

在新一代運(yùn)載火箭方面，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）公司的新一代運(yùn)載火箭Vulcan Centaur在2019年5月完成了最終設(shè)計(jì)評審，該火箭的第一級采用BE-4發(fā)動機(jī)，上面級采用RL-10發(fā)動機(jī)。 2019年8月，美國內(nèi)華達(dá)山脈（SNC）公司宣布其公司的迷你版太空飛機(jī) Dream Chaser將使用Vulcan Centaur火箭進(jìn)行發(fā)射；“追夢者”（Dream Chaser）航天飛機(jī)已于2018年12月完成了最終設(shè)計(jì)評審，并進(jìn)入投產(chǎn)階段。美國Aerojet Rocketdyne公司恢復(fù)了RS-25發(fā)動機(jī)熱試車，此外，還交付了8臺490N R-4D輔助發(fā)動機(jī)，用于“獵戶座”飛船的歐洲服務(wù)模塊。2019年8月，NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)火箭全尺寸模擬件，被吊裝到 斯坦尼斯航天中心的B2試驗(yàn)臺上（見圖1），進(jìn)行了操作演練，為計(jì)劃在2020年5月用于EM-1任務(wù)的 SLS芯級發(fā)動機(jī)安裝和熱試車作準(zhǔn)備。

圖1 太空發(fā)射系統(tǒng)火 箭芯級在斯坦尼斯航天中心B2試驗(yàn)臺進(jìn)行操作演練

在小推力器方面，2019年1月，Aerojet Rocketdyne公司的單組元肼推力器驅(qū)動“新視野”號探測器飛到太陽系的邊緣，距 離柯伊伯帶的Ultima Thule天體僅有3500km。2015年7月，它曾飛越了冥王星，并傳回史上最清晰的冥王星照片?！靶乱曇啊碧綔y器的推進(jìn)系統(tǒng)包括16臺單組元肼推力器，其中4臺4.4N推力器用于軌道修正，另外12臺0.8N推力器用于對探測器的加速或減速自旋。2019年6月，作為Aerojet Rocketdyne公司、美國鮑爾航空航天公司、NASA和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作項(xiàng)目的一部分，N ASA首次在太空測試了無毒的玫瑰色液體推進(jìn)劑AF-M315E及其推進(jìn)系統(tǒng)。

在增材制造技術(shù)方面，2019年2月，美 國維珍軌道（Virgin Orbit）公司研制的全尺寸、3D打印的高壓液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)燃燒室在NASA位于美國阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心完成了試驗(yàn)，該燃燒室采用了增材制造技術(shù)打印的銅合金GRCop-84材料。試驗(yàn)點(diǎn)火時間為2460s，推力達(dá)8900N。2019年 4月，Aerojet Rocketdyne公司還完成了其新一代RL10C-X發(fā)動機(jī)的初步試驗(yàn)，該發(fā)動機(jī)使用了3D打印的噴注器和推力室。

（二）歐洲

2019年，歐洲阿里安集團(tuán)對“阿里安”6號運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了鑒定試驗(yàn)；6月，Vinci上面級發(fā)動機(jī)通過了最終鑒定評審；7月，一級發(fā)動機(jī)Vulcain 2.1版本完成了鑒定試驗(yàn)，累計(jì)工作時間為 13800s。Prometheus發(fā)動機(jī)是歐洲研發(fā)的低成本可重復(fù)使用發(fā)動機(jī)的樣機(jī)，也是歐空局（ESA）未來在運(yùn)載器籌備計(jì)劃的重要部分，其推進(jìn)劑為液氧和甲烷。Prometheus液氧甲烷發(fā)動機(jī)完成了分系統(tǒng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備評審工作，并計(jì)劃于2020年對2臺工程樣機(jī)進(jìn)行熱試車試驗(yàn)。

（三）日本

2019年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）繼續(xù)為新一代火箭“H3”打造LE-9一級發(fā)動機(jī)和LE-5B3二級發(fā)動機(jī)，爭取在2020年實(shí)現(xiàn)首次發(fā)射。LE-9發(fā)動機(jī)長約3.75m，噴管出口直徑約1.8m，質(zhì)量為2.4t，于2019年10月完成了工程樣機(jī)的熱試車，12月在種子島航天中心啟動鑒定試驗(yàn)?！癏3”火箭的一級并聯(lián)點(diǎn)火試驗(yàn)（2臺LE-9發(fā)動機(jī)）早在2018年12月就已經(jīng)啟動，于2019年12月在Tashiro試驗(yàn)場完成鑒定試驗(yàn)。LE-5B3發(fā)動機(jī)于2019年2月在Kakuda航天中心和Tashiro試驗(yàn)場完成了鑒定試驗(yàn)。

三 電推進(jìn)技術(shù)

（一）美國

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研制適用于星際航行的先進(jìn)亞千瓦級電推進(jìn)系統(tǒng)，目標(biāo)達(dá)到150～1000W的節(jié)流范圍和100kg的氙氣消耗量，峰值系統(tǒng)效率不小于50%，推力器、功率處理單元、流量控制器和萬向節(jié)的干重不大于10kg。2019年7月，NASA“Psyche”任務(wù)中JPL與美國Maxar公司聯(lián)合研制的改進(jìn)型SPT-140霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全系統(tǒng)測試，計(jì)劃于2022年發(fā)射，并在2026年與“Psyche”16小行星交會對接?！癙syche”任務(wù)是NASA探索計(jì)劃的一部分，旨在利用一枚深空探測器對小 行星“Psyche”進(jìn)行探測。

2019年2月，Aerojet Rocketdyne公司研制的4臺XR-5霍爾推力器組搭載Hellas-Sat衛(wèi)星發(fā)射；8月，4臺XR-5推力器搭載AEHF-5號衛(wèi)星發(fā)射。同年4月，Aerojet Rocketdyne公司研制的肼電弧推力器搭載“阿拉伯”6A衛(wèi)星和另一顆地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射，用于南北位置保持。大功率電推進(jìn)將很快成為NASA載人航天計(jì)劃的一部分。2019年5月，NASA將月球“門戶”計(jì)劃的能源與推進(jìn)模塊合同授予Maxar公司，能源與推進(jìn)模塊將攜帶2臺Aerojet Rocketdyne公司研制的13kW先進(jìn)霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)和4臺Busek公司研制的6kW霍爾推力器。8月，13kW的霍爾推力器進(jìn)行了全功率試驗(yàn)，發(fā)射時間定于2022年。2019年 9月，Aerojet Rocketdyne公司和分包商美國俄亥俄州的ZIN技術(shù)公司完成了第一批計(jì)劃飛行驗(yàn)證的7kW NEXT-C離子推進(jìn)系統(tǒng)的裝配工作。2021年，NEXT-C將會搭載NASA雙小行星進(jìn)行重新定向任務(wù)（DART）發(fā)射。

2019年初，美國Busek公司研制的BHT-200霍爾推力器開始在2018年12月發(fā)射的FalconSat-6衛(wèi)星上工作。2019年11月，Busek公司交付了首臺小功率碘工質(zhì)離子推力器飛行系統(tǒng)，并于12月交付了另外2臺。Busek公司的BHT-600霍爾推力器的長程試驗(yàn)持續(xù)到11月，在600W工況下，累計(jì)工作時間6300h，總沖為860kN·s，氙消耗量60kg。

2019年9月，美國阿斯特拉（Astra）火箭公司啟動了可變比沖磁等離子體火箭VX-200SS的測試程序（見圖2），并實(shí)現(xiàn)了100kW工況下熱穩(wěn)態(tài)工作的里程碑式突破。Astra火箭公司還對技術(shù)成熟度為5級的120kW功率處理單元進(jìn)行了全功率測試，測試結(jié)果顯示其效率已達(dá)到98%。

圖2 Astra火箭公司的100kW可變比沖磁等離子體火箭發(fā)動機(jī)羽流

2019年5月，60顆使用氪氣霍爾推力器的衛(wèi)星發(fā)射并在軌運(yùn)行，標(biāo)志著SpaceX公司的“星鏈星座”計(jì)劃已初具規(guī)模。SpaceX公司已獲得美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的批準(zhǔn)，可以再發(fā)射數(shù)千個衛(wèi)星。2019年5月，美國Accion公司完成了一個測試單元的2500h不間斷點(diǎn)火，總沖達(dá)到100N·s，創(chuàng)造了電噴推力器芯片技術(shù)的記錄。

（二）歐洲

2019年伊始，歐空局的“貝皮·哥倫布”（Bepi Colombo） 水星探測器繼續(xù)向水星靠近，探測器的動力系統(tǒng)使用QinetiQ公司的離子推力器，功率處理單元由Airbus-Crisa研制。BepiColombo在2018年發(fā)射，計(jì)劃于2025年抵達(dá)水星。

2019年2月，OneWeb衛(wèi)星公司發(fā)射了其首批研制的6顆衛(wèi)星。該公司的小功率電推進(jìn)系統(tǒng)，由歐洲空客公司設(shè)計(jì)，采用氙氣霍爾推力器，先進(jìn)電子設(shè)備和推進(jìn)劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電推進(jìn)分系統(tǒng)也是空客Arrow衛(wèi)星平臺的一部分。

（三）日本

日本東京大學(xué)的研究人員研制并測試了一種3U立方星AQT-D，該衛(wèi)星裝備了一臺以水為工質(zhì)的1U電阻加熱推力器QUARIUS， AQT-D衛(wèi)星于2019年9月發(fā)射到了國際空間站。

四 固體推進(jìn)技術(shù)

（一）美國

2019年6月，Aerojet Rocketdyne公司交付了用于“獵戶座”飛船的分離發(fā)動機(jī)，取得了具有里程碑意義的重大進(jìn)展。一 旦發(fā)射任務(wù)失敗，分離發(fā)動機(jī)負(fù)責(zé)在乘員艙與主飛行器分離并重新定向后，將“獵戶座”的發(fā)射中止系統(tǒng)與乘員艙分離，使乘員艙安全降落至大西洋。

Northrop Grumman公司也參與了“獵戶座”載人飛船的研制。2019年7月，“獵 戶座”飛船進(jìn)行了發(fā)射中止系統(tǒng)的逃逸試驗(yàn)（見圖3），使用了Northrop Grumman公司提供的從Peacekeeper洲際彈道導(dǎo)彈改進(jìn)而來的助推器。此外，Northrop Grumman公司還提供了逃逸發(fā)動機(jī)和姿控發(fā)動機(jī)。

2019年，Nor throp Grumman公司對其他幾種固體燃料火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn)。4月，該公司對新研制的直徑為1.6m的石墨環(huán)氧發(fā)動機(jī)進(jìn)行了第二次地面試驗(yàn)。該款發(fā)動機(jī)簡稱GEM 63，為捆綁式固體助推器，其將為ULA的“宇宙神”5號火箭提供額外的推力。5月，Northrop Grumman公司的新型火箭OmegA的一級固體發(fā)動機(jī)完成了試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)持續(xù)點(diǎn)火時間為122s，推力超過8900kN。

圖3 “獵戶座”進(jìn)行發(fā)射中止系統(tǒng)飛行試驗(yàn)

（二）歐洲

2019年1月，歐空局、法國國家空間研究中心和歐洲推進(jìn)公司合作，對P12 0C固體火箭發(fā)動機(jī)的首個鑒定模型進(jìn)行了第二次試驗(yàn)。阿里安集團(tuán)和Avio公司共同研發(fā)了P120C，以支持“阿里安”6號和Vega-C火箭。該發(fā)動機(jī)被安裝在一個整體式碳纖維殼體內(nèi)，成為世界上最大的單體碳纖維固體發(fā)動機(jī)。

五 高速吸氣式推進(jìn)技術(shù)

（一）美國

2019年8月，美國空軍宣布，Northrop Grumman公司制造的吸氣式超燃沖壓發(fā)動機(jī)創(chuàng)下空軍新紀(jì)錄。美國空軍用了9個月的時間對這個5.49m長的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，測試中發(fā)動機(jī)總共運(yùn)行了30min，在發(fā)動機(jī)以高于馬赫數(shù)為4的速度條件下產(chǎn)生了高達(dá)近57.8kN的推力。試驗(yàn)是在田納西州空軍阿諾德工程發(fā)展中心的氣動與推進(jìn)試驗(yàn)單元（APTU）進(jìn)行的，如圖4所示。

與美國空軍的上一個大型超燃沖壓發(fā)動機(jī)項(xiàng)目X-51的飛行試驗(yàn)相比，這臺5.5m長的發(fā)動機(jī)成功地越過了一系列超聲速馬赫數(shù)，達(dá)到了前所未有的運(yùn)行時間。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室航空航天工程師Todd Barhorst在一篇新聞報道中說道：“10倍于X-51流量的新發(fā)動機(jī)將使更大尺寸量級的超燃沖壓發(fā)動機(jī)成為可能”。Todd Barhorst負(fù)責(zé)中等尺寸關(guān)鍵部件超燃沖壓發(fā)動機(jī)項(xiàng)目。該項(xiàng)目是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2011年啟動，旨在研究10倍于X-51A的較大尺度超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)項(xiàng)目。其硬件工作條件是：中等馬赫數(shù)，空氣流量是X-51A的10倍（45.4kg/s）。為滿足 10倍流量的試驗(yàn)要求，需對APTU的現(xiàn)有測試系統(tǒng)進(jìn)行大幅改進(jìn)，包括燃料加熱系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)和3個可換的直連噴口。2012年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室啟動了這些系統(tǒng)的升級改造工作，并一直持續(xù)到2014年。這次試驗(yàn)的成功得益于APTU為期2年的升級改造。

圖4 在阿諾德工程發(fā)展綜合體的氣動與推進(jìn)試驗(yàn)單元，1臺超燃沖壓發(fā)動機(jī)創(chuàng)下新記錄

2019年6月，美國普渡大學(xué)獲得了一份美國空軍實(shí)驗(yàn)室授予的價值590萬美元的合同，為計(jì)劃在該大學(xué)建造的馬赫數(shù)為8的安靜風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)險降低和設(shè)計(jì)研究。

（二）加拿大

2019年7月，加拿大航天發(fā)動機(jī)系統(tǒng)公司對一臺4kN推力級的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)，模擬了從起飛到飛行到近30km的高空，達(dá)到馬赫數(shù)為5的工況。該公司的目標(biāo)是打造一架單級入軌飛行器，以超燃沖壓發(fā)動機(jī)為動力。2019年，該公司完成了無連接鈦合金熱交換器的性能驗(yàn)證，僅用了不到11ms的時間就降低了3.9MW。將納米顆粒注入上游氫氣中，傳熱速率提高了40%，從而確認(rèn)了選擇碳化硼納米顆粒用于快速預(yù)冷、沖擊波控制，以及增強(qiáng)燃燒的性能。

（三）歐洲

德國航空航天中心（DLR）的空間推進(jìn)研究所進(jìn)行了系列試驗(yàn)，研究超燃沖壓發(fā)動機(jī)的聲流不穩(wěn)定性和發(fā)汗冷卻系統(tǒng)的適用性，以及楔形/火焰穩(wěn)定器與冷卻劑二次流之間的相互作用。德國航空航天中心的試驗(yàn)站位于德國巴登符騰堡州，燃燒室入口條件可以模擬馬赫數(shù)為5.5～8的飛行速度。2019年1月，該試驗(yàn)站進(jìn)行了升級改造，具備了光學(xué)測量能力，并安裝了高速和偽彩色背景定向紋影儀。該中心對試驗(yàn)站的激波發(fā)生器位置進(jìn)行了研究，用氣氫作為二次冷卻劑，經(jīng)過不同多孔壁段，研究激波邊界層的相互作用。多孔壁段是用燒結(jié)不銹鋼和碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料制成的。這些相互作用提高了氣氫的冷卻效率，同時反射/撞擊沖擊波和相互作用使冷卻劑點(diǎn)火。 5月，德國航空航天中心還重點(diǎn)研究了燃燒室氣流、噴嘴氣流和入口氣流的聲學(xué)不穩(wěn)定性。研究證明，噪聲頻率會對噴嘴和入口氣流造成影響，但噪聲大部分會被燃燒室吞沒。

（四）日本

JAXA在2019年4月完成了一臺縮小比例高超聲速發(fā)動機(jī)和試驗(yàn)飛行樣機(jī)的建造，簡稱高馬赫數(shù)集成控制試驗(yàn)。

（五）印度

2019年6月，印度國防研究與發(fā)展組織（DRDO）對其高超聲速技術(shù)驗(yàn)證飛行器進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，該飛行器是無人駕駛的超燃沖壓發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，短時工作能力約為20s。該試驗(yàn)是在孟加拉灣的阿卜杜勒卡拉姆島進(jìn)行的。

六 固液混合推進(jìn)技術(shù)

2019年2月，維珍銀河公司將維珍“團(tuán)結(jié)號”太空船（見圖5）發(fā)射升空，共搭載3人，包括1名乘客和2名駕駛員。這艘飛船由1臺固液混合發(fā)動機(jī)驅(qū)動，持續(xù)工作近60s，提供320kN的推力，飛行馬赫數(shù)為3.04，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度近90km，飛船隨后將返回加利福尼亞州的莫哈韋太空港。

美國斯坦福大學(xué)的研究人員驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模平板燃燒室混合燃料藥柱的激光點(diǎn)火。他們在2019年7月展示了高速成像結(jié)果，確定了底層點(diǎn)火機(jī)理是在燃料熱解和化學(xué)分解過程中形成的微小煤煙顆粒的夾帶和激光加熱。用幾個簡單光學(xué)器件組合而成的小型、輕質(zhì)激光二極管，給燃料面特定點(diǎn)提供能量，加熱煤煙顆粒，使其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料熱解所需的溫度。然后這些顆粒將能量傳給被蒸發(fā)的推進(jìn)劑混合物，點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，只有產(chǎn)生煤煙的那些燃料適用于這項(xiàng)技術(shù)，但該方法有望得到更廣泛的推廣應(yīng)用。試驗(yàn)用的是單噴嘴發(fā)動機(jī)，嵌入較大、無煤煙產(chǎn)生的燃料藥柱內(nèi)，激光器對準(zhǔn)相容燃料的小靶域。試驗(yàn)驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)在大氣、真空出口條件下的點(diǎn)火情況。

2019年，NASA的 JPL和馬歇爾太空飛行中心繼續(xù)進(jìn)行火星上升飛行器的技術(shù)研發(fā)，該飛行器的目標(biāo)是將火星表面采集的樣本送入軌道。為此，美國Whittinghill Aerospace公司分別于2019年4月和7月，在莫哈韋航天港對一臺全尺寸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，發(fā)動機(jī)采用石蠟基燃料，氧化劑為氮氧化物MON-25。測試用的發(fā)動機(jī)和氧化劑按照推測的火星操作溫度-20℃進(jìn)行調(diào)控。在這項(xiàng)研究中，研究人員實(shí)現(xiàn)了持續(xù)60s的高性能、穩(wěn)態(tài)燃燒。

圖5 維珍“團(tuán)結(jié)號”太空船試飛成功

此外，2019年8月，普渡大學(xué)的研究人員宣稱，他們的研究結(jié)果表明，在含MON-25的燃料藥柱前端添加不同的自燃固體顆粒，石蠟基混合發(fā)動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自燃點(diǎn)火和多次重復(fù)點(diǎn)火。試驗(yàn)結(jié)果與之前完成的MON-3試驗(yàn)一致，其中有些試驗(yàn)中出現(xiàn)了點(diǎn)火延遲現(xiàn)象。

為提高燃燒速率和效率，先進(jìn)固液混合火箭發(fā)動機(jī)廣泛地采用了增材制造技術(shù)。2019年，美國Aerospace Corporation公司生產(chǎn)了中空的液體燃料藥柱，利用3D打印技術(shù)來測量煤油等液體燃料的輸送量。這種安排兼顧了液體發(fā)動機(jī)的性能和固液混合發(fā)動機(jī)的安全性與簡易性的優(yōu)點(diǎn)。2019年上半年，該公司試飛了一枚先進(jìn)的混合動力火箭，其上采用了這種新型液體燃料藥柱和一臺54mm口徑的火箭發(fā)動機(jī)。

在另一個項(xiàng)目中，美國Aerospace Corporation公司和美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)繼續(xù)研制用于立方星的混合推進(jìn)單元。2019年年初，賓州州立大學(xué)的合作研究人員驗(yàn)證了該混合推進(jìn)單元的啟動、停機(jī)和重啟能力，之后將其送回宇航公司進(jìn)行進(jìn)一步的研究。該推進(jìn)單元包括一個3D打印固體燃料藥柱，置于燃燒室內(nèi)，被環(huán)形氧化劑貯箱包圍。燃燒室/貯箱組件是用直接金屬激光燒結(jié)工藝制造的，利用了3D打印技術(shù)，用激光將金屬粉末熔化在一起。這項(xiàng)技術(shù)簡化了具有熱性能和機(jī)械性能的復(fù)雜零件的生產(chǎn)工藝，而這些性能是推進(jìn)系統(tǒng)所需要的。

七 核推進(jìn)技術(shù)

自 2016年 以來，NASA一直致力于用于核熱推進(jìn)的低濃縮鈾反應(yīng)堆的研究。由NASA牽頭的低濃縮鈾核熱 推進(jìn)項(xiàng)目旨在研制一臺驗(yàn)證機(jī)，用于載人登陸火星任務(wù)的測試，并計(jì)劃于2030年之前進(jìn)行飛行驗(yàn)證。2019年NASA完成了對低濃縮鈾核熱推進(jìn)的重要概念設(shè)計(jì)評審和研究 工 作。2019年5月，Aerojet Rocketdyne公司對LEU-NTP發(fā)動機(jī)的性能預(yù)測模型進(jìn)行了改進(jìn)。2019年7月，NASA馬歇爾太空飛行中心的研究人員通過各種設(shè)計(jì)流程，重新審查了驗(yàn)證飛行器的概念。2019年8月，一項(xiàng)研究報告稱雖然低濃縮鈾反應(yīng)堆的質(zhì)量比高濃縮鈾反應(yīng)堆高，但其設(shè)計(jì)可以滿足核熱推進(jìn)項(xiàng)目的任務(wù)、壽命和可操作性要求，同時不太需要擔(dān)憂安全性和擴(kuò)散問題。美國能源部的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室與馬歇爾太空飛行中心和美國BWX技術(shù)公司合作，為低濃縮鈾核熱推進(jìn)燃料選擇和反應(yīng)堆設(shè)計(jì)開辟了一條前進(jìn)道路。2019年8月，Stan Borowski等人對核熱推進(jìn)和就地資源利用方面的最新設(shè)計(jì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)，可將這兩種技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)。該研究對使用核熱推進(jìn)任務(wù)規(guī)劃和建模至關(guān)重要。

在其他先進(jìn)推進(jìn)領(lǐng)域，2019年4月，NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念辦公室在第二階段中期檢查會上，授予美國加州州立大學(xué) 富爾頓分校榮譽(yù)稱號，以獎勵其在2018年中對馬赫效應(yīng)做出的卓有成效的工作。馬赫效應(yīng)是引力推進(jìn)的一種理論形式，不排出物質(zhì)，只使用電能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的目的。德國、加拿大、意大利及美國等國研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)開展推力平衡校準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)程序、信號放大和理論修正等方面研究工作。目前，馬赫效應(yīng)裝置產(chǎn)生的力小于10μN(yùn)，但信號的真實(shí)性和來源尚不能確定。一旦該理論被驗(yàn)證，馬赫效應(yīng)將為新的物理學(xué)推進(jìn)技術(shù)鋪平道路，并將在空間系統(tǒng)之外的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2019年8月，美國伊利諾伊州量子場公司、美國得克薩斯州高等研究所、美國貝勒大學(xué)天體物理中心空間物理與工程研究所的研究人員發(fā)表了一項(xiàng)新成果，內(nèi)容是關(guān)于制造和獲取廣義相對論理論上所需的負(fù)量子真空能量密度，以產(chǎn)生新的推進(jìn)方案，如曲速引擎和蟲洞。這項(xiàng)工作提出了一個驚人的事實(shí)，即產(chǎn)生這種能量所需的量子不確定性理論尚未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究人員分析了已知的各種技術(shù)方案，用被稱為“壓縮光”的技術(shù)產(chǎn)生“壓縮真空態(tài)”，并發(fā)現(xiàn)這些限制與公開出版的量子光學(xué)壓縮光實(shí)驗(yàn)相違背。Casimir效應(yīng)（兩個Casimir腔壁之間存在負(fù)真空能量密度）也有望證明量子不確定性理論與試驗(yàn)結(jié)果是相違背的，但這次試驗(yàn)由于存在大量的技術(shù)難題，尚未在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。量子不確定性理論與試驗(yàn)相違背的結(jié)果是大自然并沒有對技術(shù)上產(chǎn)生和獲取負(fù)真空能量密度施加任何真正意義上的限制；這一結(jié)果意味著對于產(chǎn)生曲速引擎或可穿越的蟲洞，在獲得比光速更快的動力實(shí)現(xiàn)星際飛行這方面不應(yīng)該人為地設(shè)置障礙。

八 結(jié)束語

回望2019年，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)成功試驗(yàn)了多款火箭發(fā)動機(jī)和空間推進(jìn)系統(tǒng)，支持了新一代運(yùn)載火箭、商業(yè)乘員計(jì)劃等項(xiàng)目的研制，取得了具有里程碑意義的進(jìn)展。展望2020年，全球航天產(chǎn)業(yè)將迎來“超級大年”，多款新型火箭即將迎來首飛，商業(yè)載人航天蓄勢待發(fā)，深空探測密集開展。未來，在航天項(xiàng)目的牽引下，航天推進(jìn)技術(shù)也將取得更多的進(jìn)展和突破。