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航天動(dòng)力系統(tǒng)未來需求方向及發(fā)展建議的思考
發(fā)布日期：2020-04-13
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隨著航天運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)航天動(dòng)力系統(tǒng)的需求不斷提升,總結(jié)國(guó)外航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),分析內(nèi)在啟示;根據(jù)我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來發(fā)展,提出我國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展需求,并進(jìn)一步結(jié)合多方約束闡述對(duì)解決方案的思考。
引 言
太空是維護(hù)國(guó)家安全和利益的制高點(diǎn),航天動(dòng)力系統(tǒng)是進(jìn)入空間和利用空間的基礎(chǔ)。隨著國(guó)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(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)性能要求也越來越高,對(duì)新型動(dòng)力系統(tǒng)提出需求的領(lǐng)域也越來越廣。
航天動(dòng)力系統(tǒng)通常包括主動(dòng)力系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)及增壓輸送系統(tǒng),本文分析范疇暫限于主動(dòng)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)。我國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)過 60 年的發(fā)展,形成了以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭一級(jí)、二級(jí)、助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī),以 CZ-3A 系列運(yùn)載火箭三級(jí)為代表的低溫液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和涵蓋多直徑、全系列產(chǎn)品的固體發(fā)動(dòng)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(guó)國(guó)防建設(shè)、科技進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。我國(guó)發(fā)展的高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和大推力液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)完善了液體火箭主動(dòng)力型譜,有效地保障了新一代運(yùn)載火箭研制,推動(dòng)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(guó)探月工程三期和空間站建設(shè);新型固體發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研制有力地推動(dòng)了我國(guó)固體運(yùn)載火箭的發(fā)展,并將進(jìn)一步助力我國(guó)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。
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(guó)航天又迎來新的發(fā)展契機(jī)。面對(duì)新機(jī)遇,迎接新挑戰(zhàn),系統(tǒng)總結(jié)國(guó)外航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)態(tài)和未來趨勢(shì),結(jié)合我國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn),深入思考我國(guó)航天動(dòng)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(dòng)航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展,對(duì)加快我國(guó)由航天大國(guó)到航天強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。
1 國(guó)外航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及思考
1.1 國(guó)外航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
1.1.1 美國(guó)
美國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的原動(dòng)力為國(guó)家級(jí)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(jì)劃用的 F-1 液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和 J-2 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī),到航天飛機(jī)液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī),再到 RS-68 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī),新型動(dòng)力系統(tǒng)的出現(xiàn)都是以服務(wù)美國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略為目標(biāo)。隨著商業(yè)航天的發(fā)展,美國(guó)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(chǎng)價(jià)值;另一方面不斷鼓勵(lì)私人公司利用商業(yè)資本和市場(chǎng)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(dòng) 力 系 統(tǒng),完 善 國(guó) 家 航 天 動(dòng) 力 系 統(tǒng)體系。
當(dāng)前階段,美國(guó)新型航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展仍然是國(guó)家在主導(dǎo)。在重型運(yùn)載火箭 SLS 研制的牽引下,美國(guó)陸續(xù)開展了新型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)的 RS-25E 液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)、基于通用半人馬座的 RL10 系列液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和新型五段式固體助推器 。
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(guó)和俄羅斯航天企業(yè)間的 “ RD-180 發(fā)動(dòng)機(jī)”風(fēng)波。在此背景下,美國(guó) ULA 公司積極探索可替代 RD-180 的發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī) (見圖2 )和 BlueOrigin 公司 的 BE-4 液氧/甲烷 發(fā) 動(dòng)機(jī)(見圖 3 ), Vulcan 火箭方案的正式發(fā)布無疑會(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(jī) (見圖 4 )的替代品,配備 RD-181 發(fā) 動(dòng) 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(dòng)機(jī) (見圖 5 )再次成為業(yè)界焦點(diǎn), FalconHeavy 的首飛成功無疑將 Merlin 發(fā)動(dòng)機(jī)推向了極致; BE-3 液氫/液氧發(fā)動(dòng)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(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的巨大推動(dòng)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(dòng)機(jī)與生俱來的優(yōu)點(diǎn),并且極富吸引力。
美國(guó)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(jì)劃。在國(guó)家戰(zhàn)略的牽引下,新型大推力航天發(fā)動(dòng)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(jià),典型的措施包括采用成熟的技術(shù)來避免新研發(fā)動(dòng)機(jī)的高昂成本,采用推力可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)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(guó)航天工業(yè)的多元化使得航天動(dòng)力系統(tǒng)呈現(xiàn)良性發(fā)展:基于國(guó)家意志展開新技術(shù)的探索和新型號(hào)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(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(qiáng)國(guó)的不爭(zhēng)事實(shí),也標(biāo)志著 RD-191 發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)確立了俄羅斯航天強(qiáng)國(guó)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(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)模塊化發(fā)展對(duì)動(dòng)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(dòng)機(jī)的優(yōu)秀使用維護(hù)性。
在重復(fù)使用發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的研究 (見圖 7 ),并與韓國(guó)合作研制了 CHASE-10 液氧甲烷發(fā)動(dòng)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(shì)壓力,基于國(guó)家意志的俄羅斯航天動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)獨(dú)立研制能力,仍然是航天強(qiáng)國(guó)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(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(jí)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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī) P80 指明了整體式大推力固體發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī) (見圖 9 )和新型固體發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展 ,芯一級(jí)繼承阿里安 5 火箭的火神2 發(fā)動(dòng)機(jī)則節(jié)省了重新研制主動(dòng)力系統(tǒng)的投資,充分運(yùn)用了已有技術(shù)。英國(guó) ReactionEngines 公司提出采用組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī) SABRE (見圖 10 )的 Sky-
lon 飛行器,力求實(shí)現(xiàn)高性能跨空域工作發(fā)動(dòng)機(jī)、單級(jí)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 。
立足預(yù)研,充分繼承,無疑是動(dòng)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(xiǎn)。
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(dòng)機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)由于其高性價(jià)比、使用維護(hù)方便和潛在的軍事用途,成為航天動(dòng)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(shì)必將進(jìn)一步牽引日本航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展,主發(fā)動(dòng)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 。
結(jié)合自身需求開展動(dòng)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和生 產(chǎn) 能 力, CE-20 液 氫/液 氧 發(fā) 動(dòng) 機(jī) (見 圖12 )的多次地面長(zhǎng)程試車的成功 ( 2015 年 4 月 28日、 2015 年 7 月 16 日)無疑會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)印度掌握低 溫 上 面 級(jí) 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(jí)飛行主發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)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(jí)動(dòng)力系統(tǒng)已然成為先進(jìn)上面級(jí)發(fā)展的必然選擇。
1.2 國(guó)外航天動(dòng)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(duì)航天的發(fā)展進(jìn)行強(qiáng)有力的牽引,以國(guó)家戰(zhàn)略的形式制定規(guī)劃,為航天動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)研制勢(shì)在必行
大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平?jīng)Q定一個(gè)國(guó)家進(jìn)入空間和利用空間的能力,大推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)和大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同發(fā)展可以極大地豐富運(yùn)載火箭主動(dòng)力型譜,并為國(guó)家戰(zhàn)略安全提供足夠的保障,已成為主要航天大國(guó)的共識(shí)。
1.2.3 對(duì)高性能的追求永無止境
高性能的航天動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化射前操作流程、液體發(fā)動(dòng)機(jī)降低起動(dòng)前泵入口壓力等逐漸成為航天動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)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(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì),而高可靠又對(duì)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(dòng)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(dòng) 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 、 FalconHeavy 兩型火箭子級(jí) 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(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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)的可靠性決定著整個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展思路的討論尚無定論,很多時(shí)候需要在高可靠和低成本、高性能之間進(jìn)行權(quán)衡。動(dòng)力冗余勢(shì)必要求電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的突破,動(dòng)力系統(tǒng)大量的地面試驗(yàn)會(huì)顯著提高研制成本,開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)必然導(dǎo)致性能的降低……面對(duì)航天動(dòng)力系統(tǒng)的高可靠要求,很多工作仍有待深入展開。
2 我國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)需求方向及發(fā)展建議思考
2.1 我國(guó)航天動(dòng)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(gè)國(guó)家邁向航天強(qiáng)國(guó)的必然途徑 ,大推力、低成本、高可靠和使用維護(hù)方便是動(dòng)力系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向 ,在高可靠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低成本是重中之重。我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的新發(fā)展對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)提出了新的需求。
2.1.1 動(dòng)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(dòng)機(jī)
我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭和重型運(yùn)載火箭對(duì)大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新的研制需求 。固體發(fā)動(dòng)機(jī)需要實(shí)現(xiàn)大推力的技術(shù)突破;液體發(fā)動(dòng)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(jí)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)和液氫/液氧發(fā)動(dòng)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(shí),針對(duì)新中型、小型低成本運(yùn)載火箭上面級(jí)構(gòu)型論證中發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)
與閉式循環(huán)相比,開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)外液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向之一 ,我國(guó)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(dòng)機(jī)主動(dòng)力型譜。
(4 )先進(jìn)空射動(dòng)力系統(tǒng)
空基發(fā)射具有良好的機(jī)動(dòng)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(guó)外陸續(xù)推出了多個(gè)空射動(dòng)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(dòng) 機(jī),ALASA 項(xiàng)目 SALVO 空射系統(tǒng)推出的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī),太空船二號(hào)使用的固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)等。我國(guó)亟待開展先進(jìn)空射動(dòng)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(jí),推力可達(dá)百噸量級(jí),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(dòng)力系統(tǒng)方案,比沖為 903s , 單 機(jī) 推 力 為 150kN (總 推 力 需 求450kN ) ,可作為火星探測(cè)火箭末級(jí)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(xiǎn)性小、揮發(fā)性小的凝膠狀推進(jìn)劑,在發(fā)射時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)是適應(yīng)該需求的重要選擇之一。美國(guó)、歐洲、俄羅斯等均對(duì)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)開展了大量的研究工作 。
液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在同樣的循環(huán)方式下比液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高 10s 左右,但甲烷密度低于煤油,對(duì)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(dòng)機(jī)
以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)、吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的航天運(yùn)輸系統(tǒng),由于其高機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī) ( RBCC )將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)地組合起來,充分利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高推質(zhì)比、低比沖及吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)低推質(zhì)比、高比沖的優(yōu)勢(shì)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(dòng)力系統(tǒng)性能需求
2.1.2.1 液體發(fā)動(dòng)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(guó)都取得了長(zhǎng)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(jī)已經(jīng)大幅應(yīng)用,對(duì)于閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)無論是液氧/煤油還是液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)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(jì)中,發(fā)動(dòng)機(jī)高推質(zhì)比意義重大。
(3 )可調(diào)節(jié)推力
發(fā)動(dòng)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(dòng)控制能力的必要手段,不僅簡(jiǎn)化了火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì),而且使火箭上面級(jí)的設(shè)計(jì)更具靈活性。對(duì)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(gè)飛行過程中承受的過載處于合理水平。
(4 )低入口壓力
對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),貯箱內(nèi)氣枕壓力主要由發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力決定,如果發(fā)動(dòng)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(jì),其工作壓力上限主要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要途徑,對(duì)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(dòng)機(jī)泵后擺技術(shù)可顯著提高發(fā)動(dòng)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(dòng)的穩(wěn)定裕度。從國(guó)外航天發(fā)展來看,液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)泵后擺技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí),采用泵后擺技術(shù)能夠降低伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)低頻振動(dòng)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(dòng)
為適應(yīng)深空探測(cè)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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)時(shí)間在軌工作、多次啟動(dòng)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(cè)任務(wù)的發(fā)射窗口,使不受天氣等原因的影響,降低對(duì)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(dòng)機(jī)使用維護(hù)性能對(duì)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(jī)的設(shè)計(jì)階段就貫徹對(duì)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(guó)新一代運(yùn)載火箭躋身國(guó)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(cè)試流程,增強(qiáng)推遲發(fā)射適應(yīng)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(jī)性能需求
(1 )大推力
當(dāng)前,我國(guó)研制的固體發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力水平仍處于百噸級(jí) (2016 年 8 月 2 日成功進(jìn)行了 Φ 3m 、2 分 段 固 體 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 地 面 熱 試 車, 最 大 推 力 為150t ) ,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(dòng)機(jī)的研制需求。
(2 )高性能
固體發(fā)動(dòng)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(shí)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(jì)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(jī)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(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的不利影響。
(4 )模塊化、系列化
固體發(fā)動(dòng)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(jí)、助推級(jí)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(guó)航天動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)的跨越,“運(yùn)載發(fā)展、動(dòng)力先行,動(dòng)力發(fā)展、總體牽引”是中國(guó)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(dòng)力選擇是一個(gè)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)解決方案。
2.2.1 以在研在飛型號(hào)性能提升為出發(fā)點(diǎn),務(wù)實(shí)推動(dòng)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)
運(yùn)載火箭對(duì)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 、小型低成本運(yùn)載火箭構(gòu)型論證中液體發(fā)動(dòng)機(jī)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)化方案,對(duì)我國(guó)成熟發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和新研型號(hào)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(hào)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)力,可重復(fù)是低成本的重要實(shí)現(xiàn)途徑,更會(huì)引起運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研究從設(shè)計(jì)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(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(dòng)機(jī)研制和總體 - 動(dòng)力一體化設(shè)計(jì)
重型運(yùn)載火箭的立項(xiàng)與研制是我國(guó)載人登月和大規(guī)模空間探測(cè)與應(yīng)用的必然選擇,更是一個(gè)國(guó)家邁向航天強(qiáng)國(guó)的必然途徑。我國(guó)目前已有的發(fā)動(dòng)機(jī)推力均無法滿足重型的需求,大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制逐漸提上日程。經(jīng)過前期論證,我國(guó)重型運(yùn)載火箭對(duì)大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)都提出了迫切需求,同時(shí)還需要發(fā)動(dòng)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(hào)論證和工程研制階段,總體應(yīng)聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)單位建立更廣泛的一體化設(shè)計(jì)思路,將發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)納入火箭構(gòu)型設(shè)計(jì)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(duì)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(guó)家安全和國(guó)家利益的制高點(diǎn)?？焖龠M(jìn)入空間能力可以保障國(guó)家在突發(fā)事件來臨時(shí)積極應(yīng)對(duì)、迅速反應(yīng),有效維護(hù)國(guó)家安全和戰(zhàn)略主動(dòng)性。美國(guó)、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(guó)防現(xiàn)代化和增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力,我國(guó)應(yīng)及時(shí)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(dòng)機(jī)、固體發(fā)動(dòng)機(jī)以及固液混合發(fā)動(dòng)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(cè)為愿景,著力開展新概念推進(jìn)技術(shù)論證
深空探測(cè)往往最能體現(xiàn)一個(gè)國(guó)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(guó)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(guó)深空探測(cè)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)開展更遠(yuǎn)的行星際探測(cè)。深空探測(cè)對(duì)航天動(dòng)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(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(cè)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(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(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(tǒng)發(fā)展最重要的驅(qū)動(dòng)力。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭是國(guó)家層面的重大戰(zhàn)略,極大地推動(dòng)了我國(guó)液體發(fā)動(dòng)機(jī)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的跨越式發(fā)展。面對(duì)新形勢(shì),航天動(dòng)力系統(tǒng)迎來了新一輪的發(fā)展機(jī)遇,這也迫切要求國(guó)家層面出臺(tái)相關(guān)的規(guī)劃助力航天發(fā)展。國(guó)際范圍內(nèi)商業(yè)航天如火如荼,如何有效利用市場(chǎng)機(jī)制、整合商業(yè)資本,探索推動(dòng)我國(guó)航天動(dòng)力發(fā)展的新引擎是當(dāng)前的另一個(gè)重要研究方向。
3 總結(jié)
航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展直接決定著我國(guó)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(guó)、俄羅斯、歐洲、日本、印度等航天大國(guó)和相關(guān)組織的航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì),深入分析了相關(guān)啟示意義;并根據(jù)我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來發(fā)展需求,提出我國(guó)的航天動(dòng)力系統(tǒng)的需求方向;結(jié)合我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)體系規(guī)劃和具體國(guó)情,進(jìn)一步闡述對(duì)我國(guó)航天動(dòng)力系統(tǒng)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(qiáng),黃輝,邵業(yè)濤,黃兵；單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所。
