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航天動(dòng)力系統未來(lái)需求方向及發(fā)展建議的思考

隨著(zhù)航天運輸領(lǐng)域的發(fā)展對航天動(dòng)力系統的需求不斷提升,總結國外航天動(dòng)力系統的發(fā)展趨勢,分析內在啟示;根據我國航天運輸系統未來(lái)發(fā)展,提出我國航天動(dòng)力系統的發(fā)展需求,并進(jìn)一步結合多方約束闡述對解決方案的思考。
引 言
太空是維護國家安全和利益的制高點(diǎn),航天動(dòng)力系統是進(jìn)入空間和利用空間的基礎。隨著(zhù)國家安全和經(jīng)濟發(fā)展要求的不斷提高及人類(lèi)空天活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴展,航天運輸系統對動(dòng)力系統性能要求也越來(lái)越高,對新型動(dòng)力系統提出需求的領(lǐng)域也越來(lái)越廣。
航天動(dòng)力系統通常包括主動(dòng)力系統、輔助動(dòng)力系統及增壓輸送系統,本文分析范疇暫限于主動(dòng)力系統,即為航天運輸系統提供飛行主推力的發(fā)動(dòng)機系統。我國航天動(dòng)力系統經(jīng)過(guò) 60 年的發(fā)展,形成了以長(cháng)征系列運載火箭一級、二級、助推級發(fā)動(dòng)機為代表的常規推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機,以 CZ-3A 系列運載火箭三級為代表的低溫液氫/液氧發(fā)動(dòng)機和涵蓋多直徑、全系列產(chǎn)品的固體發(fā)動(dòng)機,成就了以載人航天工程、探月工程和北斗導航一、二期工程為典型的重大航天工程,完成了多批次、多種類(lèi)、多用途的空間有效載荷發(fā)射任務(wù),為我國國防建設、科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟發(fā)展提供了強有力的支撐。我國發(fā)展的高壓補燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機和大推力液氫/液氧發(fā)動(dòng)機完善了液體火箭主動(dòng)力型譜,有效地保障了新一代運載火箭研制,推動(dòng)了航天運輸系統和航天技術(shù)的整體發(fā)展,助力我國探月工程三期和空間站建設;新型固體發(fā)動(dòng)機的成功研制有力地推動(dòng)了我國固體運載火箭的發(fā)展,并將進(jìn)一步助力我國新一代中型運載火箭和重型運載火箭的論證和研制工作。
新一代運載火箭相繼成功首飛, “十三五”規劃陸續開(kāi)展,中國航天又迎來(lái)新的發(fā)展契機。面對新機遇,迎接新挑戰,系統總結國外航天動(dòng)力系統發(fā)展動(dòng)態(tài)和未來(lái)趨勢,結合我國航天動(dòng)力系統特點(diǎn),深入思考我國航天動(dòng)力系統發(fā)展的需求、面臨的問(wèn)題和解決方案,進(jìn)一步推動(dòng)航天動(dòng)力系統發(fā)展,對加快我國由航天大國到航天強國轉變、增強國防實(shí)力和促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展有著(zhù)十分重要的意義。
1 國外航天動(dòng)力系統發(fā)展趨勢及思考
1.1 國外航天動(dòng)力系統發(fā)展現狀和趨勢
1.1.1 美國
美國航天動(dòng)力系統發(fā)展的原動(dòng)力為國家級的戰略牽引,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(dòng)機和 J-2 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機,到航天飛機液氫/液氧發(fā)動(dòng)機和大推力固體發(fā)動(dòng)機,再到 RS-68 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機,新型動(dòng)力系統的出現都是以服務(wù)美國國家戰略為目標。隨著(zhù)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)轉移到商業(yè)領(lǐng)域,創(chuàng )造更大的市場(chǎng)價(jià)值;另一方面不斷鼓勵私人公司利用商業(yè)資本和市場(chǎng)機制,基于政府轉讓的成熟技術(shù)和政策上的牽引,以較低的投入研發(fā)或引進(jìn)新 型 動(dòng) 力 系 統,完 善 國 家 航 天 動(dòng) 力 系 統體系。
當前階段,美國新型航天動(dòng)力系統的發(fā)展仍然是國家在主導。在重型運載火箭 SLS 研制的牽引下,美國陸續開(kāi)展了新型液體火箭發(fā)動(dòng)機和固體火箭發(fā)動(dòng)機的研制、試驗工作 (試車(chē)見(jiàn)圖 1 ),包括基于航天飛機動(dòng)力系統的 RS-25E 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機、基于通用半人馬座的 RL10 系列液氫/液氧發(fā)動(dòng)機和新型五段式固體助推器 。

商業(yè)航天領(lǐng)域,烏克蘭危機引發(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(dòng)機”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(dòng)機,其選擇包括航空噴氣 - 洛克達因公司的 AR-1 液氧/煤油發(fā)動(dòng)機 (見(jiàn)圖2 )和 BlueOrigin 公司 的 BE-4 液氧/甲烷 發(fā) 動(dòng)機(見(jiàn)圖 3 ), Vulcan 火箭方案的正式發(fā)布無(wú)疑會(huì )極大地推動(dòng)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(dòng)機 (見(jiàn)圖 4 )的替代品,配備 RD-181 發(fā) 動(dòng) 機 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(mén)檻,大范圍推力可調的開(kāi)式循環(huán) Merlin 液氧/煤油發(fā)動(dòng)機 (見(jiàn)圖 5 )再次成為業(yè)界焦點(diǎn), FalconHeavy 的首飛成功無(wú)疑將 Merlin 發(fā)動(dòng)機推向了極致; BE-3 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機的飛行驗證成功 (2015 年 5 月 4 日)展示了商業(yè)航天對動(dòng)力系統的巨大推動(dòng)作用;米諾陶 V 運載火箭的首飛成功 (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)入空間快速響應能力是固體發(fā)動(dòng)機與生俱來(lái)的優(yōu)點(diǎn),并且極富吸引力。

美國為了保持在航天領(lǐng)域的領(lǐng)導地位,尤其是航天飛機的黯然離去引發(fā)的運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。在國家戰略的牽引下,新型大推力航天發(fā)動(dòng)機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,甚至可以以犧牲部分性能為代價(jià),典型的措施包括采用成熟的技術(shù)來(lái)避免新研發(fā)動(dòng)機的高昂成本,采用推力可調節發(fā)動(dòng)機以實(shí)現部分重復使用,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(dòng)力系統呈現良性發(fā)展:基于國家意志展開(kāi)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)域轉移到民用和商業(yè)領(lǐng)域,創(chuàng )造更大的經(jīng)濟價(jià)值,并推動(dòng)新興企業(yè)發(fā)展,進(jìn)一 步 完 善 航 天 工 業(yè) 體 系,帶 動(dòng) 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國的不爭事實(shí),也標志著(zhù) RD-191 發(fā)動(dòng)機 (見(jiàn)圖 6 )正式在俄羅斯的工程實(shí)際應用。系列化的高性能液氧/煤油補燃發(fā)動(dòng)機確立了俄羅斯航天強國的地位,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(shí),更能體現航天運輸系統模塊化發(fā)展對動(dòng)力系統的內在要求。高推質(zhì)比和大范圍推力可調節,使得 RD-191 秉承了俄羅斯液氧/煤油發(fā)動(dòng)機的優(yōu)秀使用維護性。

在重復使用發(fā)動(dòng)機方面,俄羅斯與歐空局展開(kāi)合作,開(kāi)展了伏爾加 ( Volga )、烏拉爾 ( Ural )液氧甲烷發(fā)動(dòng)機的研究 (見(jiàn)圖 7 ),并與韓國合作研制了 CHASE-10 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機,但均處于地面研制狀態(tài),尚未實(shí)現飛行。

受限于體制改革沖擊和經(jīng)濟形勢壓力,基于國家意志的俄羅斯航天動(dòng)力系統雖然前進(jìn)步伐放緩,但始終沒(méi)有停止發(fā)展的腳步。強大的動(dòng)力系統獨立研制能力,仍然是航天強國的重要支撐。
1.1.3 歐洲
火神和火神 2 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機 (見(jiàn)圖 8 )支撐了歐空局近 20 年的阿里安 5 發(fā)射任務(wù),充分驗證了低溫氫氧芯級加固體助推運載方案的可靠性??椗沁\載火箭的成功 (2012 年 2 月 13 日),芯一級發(fā)動(dòng)機 P80 指明了整體式大推力固體發(fā)動(dòng)機的發(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(dòng)機 (見(jiàn)圖 9 )和新型固體發(fā)動(dòng)機的發(fā)展 ,芯一級繼承阿里安 5 火箭的火神2 發(fā)動(dòng)機則節省了重新研制主動(dòng)力系統的投資,充分運用了已有技術(shù)。英國 ReactionEngines 公司提出采用組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機 SABRE (見(jiàn)圖 10 )的 Sky-
lon 飛行器,力求實(shí)現高性能跨空域工作發(fā)動(dòng)機、單級入軌和多次重復使用的低成本航天運輸解決方案,但由于技術(shù)跨度大,相關(guān)工作較工程應用仍存在一定距離 。

立足預研,充分繼承,無(wú)疑是動(dòng)力系統發(fā)展過(guò)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(lái)不可預見(jiàn)的技術(shù)、周期和經(jīng)費風(fēng)險。
1.1.4 日本
艾普斯龍火箭的成功首飛 (2013 年 9 月 14日)充分體現了日本在固體發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域的先進(jìn)水平。大推力固體發(fā)動(dòng)機由于其高性?xún)r(jià)比、使用維護方便和潛在的軍事用途,成為航天動(dòng)力系統的重要發(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(dòng)力系統的發(fā)展,主發(fā)動(dòng)機 LE-9 (見(jiàn)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 ,目前已完成樣機生產(chǎn)并成功開(kāi)展多次熱試車(chē) 。

結合自身需求開(kāi)展動(dòng)力系統研究,在已有技術(shù)基礎上不斷突破創(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)驗證了印度在固體發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域強大的設計和生 產(chǎn) 能 力, CE-20 液 氫/液 氧 發(fā) 動(dòng) 機 (見(jiàn) 圖12 )的多次地面長(cháng)程試車(chē)的成功 ( 2015 年 4 月 28日、 2015 年 7 月 16 日)無(wú)疑會(huì )進(jìn)一步增強印度掌握低 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)現了低溫上面級飛行主發(fā)動(dòng)機的國產(chǎn)化,向獨立自主發(fā)展高性能航天運輸系統邁進(jìn)了一大步。

高性能低溫上面級動(dòng)力系統已然成為先進(jìn)上面級發(fā)展的必然選擇。
1.2 國外航天動(dòng)力系統發(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)行強有力的牽引,以國家戰略的形式制定規劃,為航天動(dòng)力系統研制相關(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(dòng)力系統發(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(dòng)機研制勢在必行
大推力發(fā)動(dòng)機的技術(shù)水平?jīng)Q定一個(gè)國家進(jìn)入空間和利用空間的能力,大推力液體發(fā)動(dòng)機和大推力固體發(fā)動(dòng)機的協(xié)同發(fā)展可以極大地豐富運載火箭主動(dòng)力型譜,并為國家戰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(wú)止境
高性能的航天動(dòng)力系統可以有效提高航天運輸系統的綜合性能。高性能推進(jìn)劑和閉式循環(huán)帶來(lái)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(dòng)力系統發(fā)展的不懈追求。
1.2.4 優(yōu)秀的使用維護性日益凸顯
隨著(zhù)運載器綜合性能優(yōu)化、提高進(jìn)入空間快速響應能力和實(shí)現可重復使用的需求發(fā)展,大范圍推力可調節、簡(jiǎn)化射前操作流程、液體發(fā)動(dòng)機降低起動(dòng)前泵入口壓力等逐漸成為航天動(dòng)力系統的重要指標要求。優(yōu)秀的使用維護性是航天動(dòng)力系統走向市場(chǎng)的必然途徑。
1.2.5 低成本是重要發(fā)展方向
隨著(zhù)商業(yè)航天的快速發(fā)展,低成本已經(jīng)成為未來(lái)航天運載器和航天動(dòng)力系統發(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(dòng)力系統整體或部分回收技術(shù)是解決低成本問(wèn)題 的 可 行 途 徑 之 一。航 天 飛 機 主 發(fā) 動(dòng) 機(SSME )及固體助推器的多次重復使用 (部分組件), SpaceX 公司 Falcon9 、 FalconHeavy 兩型火箭子級 整 體 回 收 與 再 次 發(fā) 射, BlueOrigin 公 司NewShepard 亞軌道飛行器整體回收與再飛行為動(dòng)力系統回收復用以降低成本提供了榜樣式的引領(lǐng)作用和示范效應,在 ULA 新型火箭 Vulcan 中,發(fā)動(dòng)機的可控回收已成為降低成本的必選項目。
1.2.6 高可靠是永恒的質(zhì)量要求
航天動(dòng)力系統的可靠性決定著(zhù)整個(gè)運載器的成敗,高可靠是航天系統的永恒質(zhì)量要求。高可靠引發(fā)的一系列關(guān)于動(dòng)力系統發(fā)展思路的討論尚無(wú)定論,很多時(shí)候需要在高可靠和低成本、高性能之間進(jìn)行權衡。動(dòng)力冗余勢必要求電氣系統設計理念的突破,動(dòng)力系統大量的地面試驗會(huì )顯著(zhù)提高研制成本,開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機必然導致性能的降低……面對航天動(dòng)力系統的高可靠要求,很多工作仍有待深入展開(kāi)。
2 我國航天動(dòng)力系統需求方向及發(fā)展建議思考
2.1 我國航天動(dòng)力系統需求方向
發(fā)展大型、重型運載火箭及可重復使用火箭是一個(gè)國家邁向航天強國的必然途徑 ,大推力、低成本、高可靠和使用維護方便是動(dòng)力系統的重點(diǎn)發(fā)展方向 ,在高可靠的基礎上實(shí)現低成本是重中之重。我國航天運輸系統的新發(fā)展對動(dòng)力系統提出了新的需求。
2.1.1 動(dòng)力系統整體需求
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(dòng)機
我國新一代中型運載火箭和重型運載火箭對大推力固體發(fā)動(dòng)機、液氧/煤油發(fā)動(dòng)機和液氫/液氧發(fā)動(dòng)機提出了新的研制需求 。固體發(fā)動(dòng)機需要實(shí)現大推力的技術(shù)突破;液體發(fā)動(dòng)機不僅需要比沖、推力、推質(zhì)比等性能有所提升,還需要具備推力調節、故障診斷等功能,并大幅優(yōu)化使用維護條件。特別是基礎級發(fā)動(dòng)機的推力構型將直接影響總體構型的優(yōu)化,在實(shí)現大推力的基礎上還必須注意衍生構型,構建合理梯度;而發(fā)動(dòng)機大范圍節流技術(shù)則是構型優(yōu)化的重要途徑。
(2 )現有液氧/煤油發(fā)動(dòng)機和液氫/液氧發(fā)動(dòng)機改進(jìn)
現有液氧/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未來(lái)任務(wù)提供強有力支撐。同時(shí),針對新中型、小型低成本運載火箭上面級構型論證中發(fā)動(dòng)機性能指標優(yōu)化方案,結合 CZ-3A 系列以及 CZ-5 火箭的性能和任務(wù)適應性改進(jìn),現有液氫/液氧發(fā)動(dòng)機的性能改進(jìn)也存在較大需求。
(3 )開(kāi)式循環(huán)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機
與閉式循環(huán)相比,開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機具有系統結構簡(jiǎn)單、組件相互獨立性好、研制周期短、研制費用低的特點(diǎn),結合推進(jìn)劑致密化可實(shí)現高比沖。近幾年也逐漸顯現出開(kāi)式循環(huán)是國外液氧/煤油發(fā)動(dòng)機的發(fā)展方向之一 ,我國有必要積極開(kāi)展相關(guān)研究,進(jìn)一步豐富液體火箭發(fā)動(dòng)機主動(dòng)力型譜。
(4 )先進(jìn)空射動(dòng)力系統
空基發(fā)射具有良好的機動(dòng)性、靈活性,是實(shí)現快速進(jìn)入空間的重要途徑之一。近年來(lái)國外陸續推出了多個(gè)空射動(dòng)力系統方案,包括如飛馬座低成 本、 高 性 能 的 Orion 系 列 固 體 發(fā) 動(dòng) 機,ALASA 項目 SALVO 空射系統推出的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機,太空船二號使用的固液混合發(fā)動(dòng)機等。我國亟待開(kāi)展先進(jìn)空射動(dòng)力系統的研制,為進(jìn)一步提升快速進(jìn)入空間反應能力提供支撐。
2.1.1.2 遠期需求
(1 )核熱推進(jìn)系統
核熱火箭的比沖可達千秒量級,推力可達百?lài)嵙考?可在發(fā)射后半年內載人登陸火星,是可預見(jiàn)的未來(lái)太空探索的首選推進(jìn)系統?;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(dòng)力系統方案,比沖為 903s , 單 機 推 力 為 150kN (總 推 力 需 求450kN ) ,可作為火星探測火箭末級使用。
(2 )凝膠推進(jìn)系統
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(shí)通過(guò)加壓剪切、降低推進(jìn)劑黏度,使其使用起來(lái)類(lèi)似液體推進(jìn)劑,可有效提高使用維護性,但是發(fā)動(dòng)機的性能 (比沖)和推進(jìn)劑使用仍是制約瓶頸。
(3 )可重復使用火箭發(fā)動(dòng)機
可重復使用、低成本、無(wú)毒、無(wú)污染、高可靠、使用維護方便是重復使用運載器對發(fā)動(dòng)機技術(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(dòng)機是適應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(dòng)機開(kāi)展了大量的研究工作 。
液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機在同樣的循環(huán)方式下比液氧/煤油發(fā)動(dòng)機比沖高 10s 左右,但甲烷密度低于煤油,對貯箱結構增重明顯,密度比沖基本相當,循環(huán)方式的選擇尤為重要。
(4 )吸氣式 (組合)發(fā)動(dòng)機
以吸氣式發(fā)動(dòng)機、吸氣式組合發(fā)動(dòng)機為動(dòng)力的航天運輸系統,由于其高機動(dòng)性、可重復使用以及高超聲速巡航性能,已成為航天運輸技術(shù)發(fā)展前沿?;鸺M合循環(huán)發(fā)動(dòng)機 ( RBCC )將火箭發(fā)動(dòng)機、沖壓發(fā)動(dòng)機和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機有機地組合起來(lái),充分利用火箭發(fā)動(dòng)機高推質(zhì)比、低比沖及吸氣式發(fā)動(dòng)機低推質(zhì)比、高比沖的優(yōu)勢和特色,可實(shí)現高效性與經(jīng)濟性的最佳組合。
2.1.2 動(dòng)力系統性能需求
2.1.2.1 液體發(fā)動(dòng)機性能需求
(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(cháng)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(dòng)機已經(jīng)大幅應用,對于閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機無(wú)論是液氧/煤油還是液氫/液氧發(fā)動(dòng)機在我國都已經(jīng)研制成功 ,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(zhù)全箭高結構系數,在相同的起飛質(zhì)量下獲得更高的運載能力。在當今以 “克”為減重單位的火箭設計中,發(fā)動(dòng)機高推質(zhì)比意義重大。
(3 )可調節推力
發(fā)動(dòng)機推力可調是實(shí)現運載火箭飛行環(huán)境控制、優(yōu)化飛行彈道等主動(dòng)控制能力的必要手段,不僅簡(jiǎn)化了火箭系統設計,而且使火箭上面級的設計更具靈活性。對于載人運載火箭,可以通過(guò)推力調節控制過(guò)載,保證宇航員在整個(gè)飛行過(guò)程中承受的過(guò)載處于合理水平。
(4 )低入口壓力
對于液體火箭發(fā)動(dòng)機,貯箱內氣枕壓力主要由發(fā)動(dòng)機入口壓力決定,如果發(fā)動(dòng)機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,從而降低貯箱內的增壓要求。隨著(zhù)火箭規模逐步增加,大直徑火箭貯箱一般采用內壓設計,其工作壓力上限主要依據發(fā)動(dòng)機工作時(shí)的增壓要求。降低貯箱工作壓力上限是降低貯箱結構質(zhì)量的主要途徑,對于提高火箭運載能力具有直接貢獻。
(5 )泵后擺
大型液體火箭發(fā)動(dòng)機泵后擺技術(shù)可顯著(zhù)提高發(fā)動(dòng)機與伺服機構小回路的諧振頻率,增加伺服系統彈性振動(dòng)的穩定裕度。從國外航天發(fā)展來(lái)看,液體火箭發(fā)動(dòng)機泵后擺技術(shù)得到了廣泛應用。同時(shí),采用泵后擺技術(shù)能夠降低伺服機構的設計難度,使伺服機構結構尺寸、質(zhì)量減小。而泵前擺發(fā)動(dòng)機可能出現低頻振動(dòng)問(wèn)題,需要通過(guò)提高常平座的剛度和增大搖擺力臂解決該問(wèn)題,降低綜合性能。
(6 )多次啟動(dòng)
為適應深空探測技術(shù)發(fā)展及提高運載火箭的運載能力,要求上面級發(fā)動(dòng)機具有長(cháng)時(shí)間在軌工作、多次啟動(dòng)的能力,利于規劃軌道飛行策略,增加有效載荷質(zhì)量,拓寬飛行器執行深空探測任務(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)射支持系統的依賴(lài)性,從而有效提高飛行器執行任務(wù)的適用性和靈活性。
(7 )提高使用維護性
增強發(fā)動(dòng)機使用維護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(dòng)機的設計階段就貫徹對使用維護性能的追求,降低相關(guān)人力、物力,將極大增強我國新一代運載火箭躋身國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的實(shí)力。具體的需求包括優(yōu)化起動(dòng)程序,簡(jiǎn)化供配氣保障要求,自動(dòng)化測試流程,增強推遲發(fā)射適應能力,優(yōu)化起動(dòng)前程序和后處理流程等。
2.1.2.2 固體發(fā)動(dòng)機性能需求
(1 )大推力
當前,我國研制的固體發(fā)動(dòng)機最大推力水平仍處于百?lài)嵓?(2016 年 8 月 2 日成功進(jìn)行了 Φ 3m 、2 分 段 固 體 發(fā) 動(dòng) 機 地 面 熱 試 車(chē), 最 大 推 力 為150t ) ,與世界先進(jìn)水平存在較大差距。在航天運載領(lǐng)域,以商業(yè)固體小運載火箭和重型運載火箭為背景牽引,明確提出了大推力固體火箭發(fā)動(dòng)機的研制需求。
(2 )高性能
固體發(fā)動(dòng)機的高性能指標要求具有較高的比沖、質(zhì)量比和工作壓強,同時(shí)應盡量研發(fā)高能的推進(jìn)劑和高性能纖維殼體技術(shù),提高結構設計水平,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(dòng)機面向市場(chǎng)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比沖較低、推力調節能力不足等固有缺點(diǎn)對固體發(fā)動(dòng)機發(fā)展的不利影響。
(4 )模塊化、系列化
固體發(fā)動(dòng)機向模塊化、系列化方向發(fā)展,可以適應在運載器芯級、助推級等不同模塊的靈活應用,滿(mǎn)足總體方案論證和優(yōu)化需求,擴展適用范圍。
2.2 我國航天動(dòng)力系統發(fā)展建議
每一代運載火箭的發(fā)展都離不開(kāi)動(dòng)力系統的跨越,“運載發(fā)展、動(dòng)力先行,動(dòng)力發(fā)展、總體牽引”是中國航天幾十年來(lái)的經(jīng)驗總結,凸現總體超前科學(xué)規劃的重要性。運載火箭的動(dòng)力選擇是一個(gè)多約束的總體優(yōu)化問(wèn)題,需根據火箭規模、箭體制造基礎、動(dòng)力發(fā)展水平等因素,通過(guò) “模塊化、組合化、系列化”方式,盡量減少模塊數量,構建滿(mǎn)足不同軌道和不同運載能力需求的火箭型譜,并據此確定動(dòng)力系統解決方案。
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(dòng)現有發(fā)動(dòng)機性能改進(jìn)
運載火箭對性能的追求是無(wú)止境的, CZ-3A系列運載火箭和新一代運載火箭的性能改進(jìn)與任務(wù)拓展,以及新中型 、小型低成本運載火箭構型論證中液體發(fā)動(dòng)機和固體發(fā)動(dòng)機性能指標優(yōu)化方案,對我國成熟發(fā)動(dòng)機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、推力可調節、優(yōu)化使用維護性能等,為在研、在飛型號綜合性能提升提供強有力支撐。
2.2.2 以低成本、高可靠和可重復為目標,積極推進(jìn)可重復發(fā)動(dòng)機研制
高可靠是航天運輸系統的生命線(xiàn),基于高質(zhì)量的低成本將賦予運載火箭強大的商業(yè)發(fā)射競爭力,可重復是低成本的重要實(shí)現途徑,更會(huì )引起運載火箭總體設計和發(fā)動(dòng)機產(chǎn)品研究從設計理念到工程實(shí)踐革命性的改變。液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機是適應該需求的重要選擇之一。
2.2.3 以重型運載火箭為牽引,有效落實(shí)大推力發(fā)動(dòng)機研制和總體 - 動(dòng)力一體化設計
重型運載火箭的立項與研制是我國載人登月和大規??臻g探測與應用的必然選擇,更是一個(gè)國家邁向航天強國的必然途徑。我國目前已有的發(fā)動(dòng)機推力均無(wú)法滿(mǎn)足重型的需求,大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機研制逐漸提上日程。經(jīng)過(guò)前期論證,我國重型運載火箭對大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機、液氫/液氧發(fā)動(dòng)機和固體發(fā)動(dòng)機都提出了迫切需求,同時(shí)還需要發(fā)動(dòng)機具備推力調節、故障診斷等功能。另外,結合新一代運載火箭的研制經(jīng)驗,在重型運載火箭型號論證和工程研制階段,總體應聯(lián)合發(fā)動(dòng)機單位建立更廣泛的一體化設計思路,將發(fā)動(dòng)機指標納入火箭構型設計中,形成性能、周期、經(jīng)費等綜合指標最優(yōu)的構型方案。
2.2.4 以快速進(jìn)入空間為指導,不斷探索先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)
隨著(zhù)人類(lèi)對宇宙空間的探索和利用能力不斷增強,太空已成為維護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(lái)臨時(shí)積極應對、迅速反應,有效維護國家安全和戰略主動(dòng)性。美國、歐洲快速進(jìn)入空間能力正在不斷提升,為了適應新軍事變革和先進(jìn)空間攻防的要求,服務(wù)國防現代化和增強國防實(shí)力,我國應及時(shí)開(kāi)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(dòng)機、固體發(fā)動(dòng)機以及固液混合發(fā)動(dòng)機,支撐相關(guān)運載器的論證和研制工作。
2.2.5 以深空探測為愿景,著(zhù)力開(kāi)展新概念推進(jìn)技術(shù)論證
深空探測往往最能體現一個(gè)國家的科技創(chuàng )新實(shí)力,在這一領(lǐng)域一直都是發(fā)達國家獨領(lǐng)風(fēng)騷。探月工程一期、二期的成功實(shí)施,充分體現了我國深空探測領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)取得了整體突破,已經(jīng)有能力適時(shí)開(kāi)展更遠的行星際探測。深空探測對航天動(dòng)力系統提出了更高、更嚴苛的要求,包括高比沖、大推力、多次起動(dòng)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(dòng)機研制單位和反應堆研制單位開(kāi)展相關(guān)預研分析工作。
2.2.6 以政府牽引為主導,面向市場(chǎng)探索航天動(dòng)力發(fā)展新引擎
政府的牽引始終是航天動(dòng)力系統發(fā)展最重要的驅動(dòng)力。我國新一代運載火箭是國家層面的重大戰略,極大地推動(dòng)了我國液體發(fā)動(dòng)機和固體發(fā)動(dòng)機的跨越式發(fā)展。面對新形勢,航天動(dòng)力系統迎來(lái)了新一輪的發(fā)展機遇,這也迫切要求國家層面出臺相關(guān)的規劃助力航天發(fā)展。國際范圍內商業(yè)航天如火如荼,如何有效利用市場(chǎng)機制、整合商業(yè)資本,探索推動(dòng)我國航天動(dòng)力發(fā)展的新引擎是當前的另一個(gè)重要研究方向。
3 總結

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

本文摘自《宇航總體技術(shù)》2019年第1期。作者:陳士強,黃輝,邵業(yè)濤,黃兵;單位:北京宇航系統工程研究所。

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