載人登月主動(dòng)力——大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研究

李 斌 欒希亭 張小平

（西安航天動(dòng)力研究所）

1 前言

航天活動(dòng)需要大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，載人航天、載人登月等重大航天活動(dòng)更需要大推力、高可靠性、高安全性的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)支撐，可謂發(fā)動(dòng)機(jī)的推力有多大，人類的足跡就有多遠(yuǎn)。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭下面級(jí)主動(dòng)力的全球選擇之一，幾十年的航天發(fā)展中，美、俄等航天國家研制了多種具有重大歷史意義的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，奠定了其航天強(qiáng)國的地位。

上世紀(jì)八十年代末期以來，我國研制了120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)[1]，掌握了補(bǔ)燃循環(huán)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，采用該發(fā)動(dòng)機(jī)的新一代運(yùn)載火箭正在研制，即將形成以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為主的航天動(dòng)力體系。然而，隨著我國綜合國力的快速增強(qiáng)和航天事業(yè)的快速發(fā)展，120噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的在推力量級(jí)方面不能完全滿足未來建設(shè)航天強(qiáng)國的需求。為此，我國應(yīng)研制下一代大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

在大推力發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證中，需要重點(diǎn)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用成本、技術(shù)帶動(dòng)性和技術(shù)繼承性。成本是未來航天發(fā)展特別是商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心，液氧煤油推進(jìn)劑成本低廉、無毒環(huán)保，發(fā)動(dòng)機(jī)性能高、使用維護(hù)方便，在控制航天發(fā)射成本方面是最佳的動(dòng)力選擇。技術(shù)帶動(dòng)性是重大項(xiàng)目需要考慮的指標(biāo)，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)涉及氣動(dòng)、傳熱、流體力學(xué)、燃燒、工藝、材料等多項(xiàng)重大高新技術(shù)，可以帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，符合建設(shè)創(chuàng)新型國家的國策。目前，我國已成功突破液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的一系列重大技術(shù)，建成了一大批基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步發(fā)展大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)有利于技術(shù)的繼承，實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)、持續(xù)發(fā)展。因此，大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)符合我國國情，是我國未來載人航天、載人登月合理的動(dòng)力選擇之一。

本文研究了國內(nèi)外航天動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，提出我國載人登月主動(dòng)力——大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展設(shè)想：2015年左右，完成推力室、燃?xì)獍l(fā)生器、主要自動(dòng)器等組件驗(yàn)證平臺(tái)的考核試驗(yàn)，并衍生出300噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于超大型運(yùn)載火箭，滿足多次對(duì)接、有限規(guī)模載人登月的需求；2020年左右，研制出600噸級(jí)雙推力室液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于近地球軌道（LEO）運(yùn)載能力百噸級(jí)以上的重型運(yùn)載火箭，滿足我國本世紀(jì)中前期載人登月等各項(xiàng)重大航天活動(dòng)的需求。

2 國內(nèi)外大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

幾十年的航天發(fā)展中，各航天大國研制了多種大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。上世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)率先研制成功RD-107/108液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。以其為動(dòng)力的“聯(lián)盟”號(hào)運(yùn)載火箭，將首位航天員送入太空，開創(chuàng)了載人航天的歷史。目前，采用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)“聯(lián)盟”號(hào)運(yùn)載火箭是國際載人航天的主力。

六十年代，美國研制了680噸級(jí)的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于“土星V”運(yùn)載火箭，1969年7月20日，成功實(shí)現(xiàn)載人登月的偉大壯舉[2]。同時(shí)期，蘇聯(lián)研制了推力150噸級(jí)的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)推力低，登月的“N-1”火箭一級(jí)需要采用30臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)太多、動(dòng)力系統(tǒng)過于復(fù)雜加上質(zhì)量控制等原因，導(dǎo)致火箭可靠性降低，造成“N-1”火箭4次飛行試驗(yàn)全部失敗，整個(gè)登月計(jì)劃以失敗告終[3]。

七、八十年代，蘇聯(lián)吸取N-1的教訓(xùn)，研制成功推力740噸級(jí)的RD-170液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的頂峰。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯又研制成功了380噸級(jí)的RD-180和200噸級(jí)的RD-191液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)水平遙遙領(lǐng)先其它國家，并開始出口發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品、輸出發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，幫助美國、歐洲、印度、日本、韓國研制液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)及其運(yùn)載火箭。

六、七十年代的軍備競(jìng)賽中，美國建設(shè)了規(guī)模龐大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)體系。七十年代末，隨著戰(zhàn)略武器的削減，美國固體發(fā)動(dòng)機(jī)廠商龐大的生產(chǎn)能力嚴(yán)重過剩。為保證就業(yè)和維持生產(chǎn)體系，美國航天飛機(jī)等運(yùn)載器開始采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)。受其影響，歐洲和日本的運(yùn)載火箭也隨之采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)。這一選擇使美國、歐洲和日本在液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展不足。

九十年代以來，由于固體助推器成本高昂、污染嚴(yán)重，美國等西方國家開始積極引進(jìn)俄羅斯液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于替代固體助推器。九十年代初，美國普惠公司引進(jìn)RD-120液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行了熱試車；航空噴氣公司購買了NK-33和NK-43液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，原計(jì)劃用于K-1可重復(fù)使用運(yùn)載器，目前用于“金牛座”-2運(yùn)載火箭[4]。1996年，洛克西德·馬丁公司用10億美元購買了101臺(tái)RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)[5]，用于“宇宙神”5系列運(yùn)載火箭。由于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本低，“宇宙神”5運(yùn)載火箭的發(fā)射成本降低約1/4。引進(jìn)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)后，美國開展了自己的研究工作，航天飛機(jī)改進(jìn)方案提出RS-76、AJ-800等液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)取代固體助推器的方案；第二代重復(fù)使用運(yùn)載器計(jì)劃SLI中提出RS-84等液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖2）。上述發(fā)動(dòng)機(jī)推力為3000kN-5000kN，均采用液氧煤油推進(jìn)劑和補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)。2005年以來，SpaceX公司采用“灰背隼”液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)了“獵鷹”1/9運(yùn)載火箭，獲得重大成功，并提出500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃。2010年2月，奧巴馬推遲登月計(jì)劃，提出投入31億美元，開展重型運(yùn)載與大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃，其中2011年度經(jīng)費(fèi)5.6億美元[6]。

歐洲航天局為了降低“阿里安”5運(yùn)載火箭的發(fā)射成本，啟動(dòng)了“未來航天運(yùn)載器預(yù)發(fā)展計(jì)劃（FLPP）”[7][8]，提出 400 噸級(jí)“伏爾加”和 200 噸級(jí)“烏拉爾”液氧烴發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃，以替代固體助推器，并用于可重復(fù)使用運(yùn)載器。為了降低成本，九十年代日本提出采用液氧烴發(fā)動(dòng)機(jī)代替H-2系列火箭的固體助推器。同時(shí)，提出引進(jìn)NK-33和RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制新型運(yùn)載火箭的方案[9]。印度在航天動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域較為落后，為了建立航天大國，印度提出龐大的發(fā)展規(guī)劃，2010年啟動(dòng)了200噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制，計(jì)劃用于載人登月運(yùn)載火箭[10][11]。2002年以來，韓國購買了俄羅斯采用RD-151液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（RD-191改型）組成的一級(jí)火箭，用于“羅老”號(hào)運(yùn)載火箭。2009年8月和2010年6月，進(jìn)行了兩次飛行試驗(yàn)。

俄羅斯和美國主要液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的特性見表1。

綜上所述，未來航天運(yùn)載動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括如下：

（1）動(dòng)力系統(tǒng)的大推力化，通過采用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)，簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)，提高運(yùn)載火箭的可靠性。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)的低成本化，航天競(jìng)爭(zhēng)力的核心是成本，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以其使用成本低、性能高已成為一種需要的航天動(dòng)力。

（3）推進(jìn)劑的無毒環(huán)?；?，新世紀(jì)是環(huán)保時(shí)代，高性能的液氧烴和液氧液氫推進(jìn)劑以其無毒環(huán)保的優(yōu)良特點(diǎn)已成為航天動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)。

（4）通用化、系列化、模塊化，通過“一機(jī)多用”、技術(shù)拓展，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性。

其中，大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

表1 俄羅斯和美國主要液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)特性

（1）推力200噸級(jí)以上。

（2）采用高性能的補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)。

（3）采用先進(jìn)的泵后搖擺技術(shù)。

（4）具備大范圍推力和混合比調(diào)節(jié)能力。

3 大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案

二十世紀(jì)八十年代后期，我國開始論證新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。九十年代，進(jìn)行了液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2000年以來，開始研制120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，該發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均已掌握，即將研制成功，以該發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力的新一代系列運(yùn)載火箭研制正在深入進(jìn)行，大量基礎(chǔ)設(shè)施正在建設(shè)，以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為主的動(dòng)力體系正在形成。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)符合我國國情，是我國航天動(dòng)力體系的延續(xù)和發(fā)展，符合可持續(xù)發(fā)展的基本國策。

根據(jù)載人登月重型運(yùn)載火箭總體的要求，大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的推力量級(jí)應(yīng)為600噸級(jí)。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的使用頻率、降低研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，本文提出大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展思路：發(fā)動(dòng)機(jī)為600噸級(jí)雙推力室狀態(tài)，先分別開展以推力室和渦輪泵為主的兩個(gè)技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)的研究與試驗(yàn)，然后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成，完成600噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制。其中，推力室為主的研制平臺(tái)可以衍生出300噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，用于優(yōu)化和拓展新一代運(yùn)載火箭的動(dòng)力結(jié)構(gòu)和運(yùn)載能力。

3.1 動(dòng)力循環(huán)方式

大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可選擇的動(dòng)力循環(huán)方式一般包括補(bǔ)燃循環(huán)（又稱分級(jí)燃燒循環(huán)）和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為開式循環(huán)的一種，燃?xì)饨?jīng)渦輪作功后直接排放至發(fā)動(dòng)機(jī)外或者引至推力室噴管擴(kuò)張段，由于這部分燃?xì)馕茨艹浞秩紵?，推進(jìn)劑的化學(xué)能沒有充分釋放，發(fā)動(dòng)機(jī)性能較低。

補(bǔ)燃循環(huán)為閉式循環(huán)的一種，經(jīng)渦輪作功后的燃?xì)膺M(jìn)入燃燒室，進(jìn)行二次燃燒（即“補(bǔ)燃”），推進(jìn)劑化學(xué)能釋放更為充分，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到較大提高。

綜合分析，我國大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用先進(jìn)的補(bǔ)燃循環(huán)。

3.2 總裝方案

對(duì)于大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，總體方案的焦點(diǎn)在于推力傳遞和推力矢量控制。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制方式包括：發(fā)動(dòng)機(jī)的泵前搖擺和泵后搖擺。

泵前搖擺的搖擺軟管在低壓的推進(jìn)劑入口管路上，在提供推力矢量時(shí)，搖擺整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是搖擺軟管壓力低，便于研制；不足是發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心偏離推力軸線，存在“偏心”問題；發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺尺寸和搖擺力矩較大；發(fā)動(dòng)機(jī)重量較大。對(duì)于推力百噸級(jí)及其以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用此方案比較適宜，國外的RD-253、NK-33-1、RD-120K/M 等發(fā)動(dòng)機(jī)均采用此方案。

泵后搖擺的搖擺軟管設(shè)置在渦輪泵出口的高壓管路上，在提供推力矢量時(shí)，只需要搖擺推力室及其附件。對(duì)大推力的補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，泵后擺方案可以有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、重量和搖擺力矩，便于解決偏心等問題。但泵后搖擺需要設(shè)置高溫、高壓燃?xì)鈸u擺軟管和高壓液體推進(jìn)劑搖擺軟管。綜合考慮，泵后搖擺優(yōu)勢(shì)明顯，代表了大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，國外先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)如RD-170/180/191和RS-68等均采用此方案。

綜合分析，我國大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)采用泵后搖擺方案，其中重點(diǎn)研究燃?xì)鈸u擺軟管。

3.3 主要組件方案

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組件包括推力室、燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪泵和自動(dòng)器等，涉及主要組件的方案包括推力室和燃?xì)獍l(fā)生器的臺(tái)數(shù)及其結(jié)構(gòu)、渦輪泵的結(jié)構(gòu)和布局等。

綜合考慮，600噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用2臺(tái)推力室、2臺(tái)燃?xì)獍l(fā)生器、1臺(tái)渦輪泵、2臺(tái)液氧主閥、2臺(tái)推力室燃料主閥等組件。在推力室等組件驗(yàn)證平臺(tái)中，可以考核除發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵之外的其余組件，并衍生出300噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，600噸級(jí)和300噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)共用除渦輪泵之外的主要組件。

渦輪泵為同軸式布局，氧泵居中，燃料泵和渦輪位于兩端。為了便于重復(fù)試車，自動(dòng)器方案為多次使用，采用電動(dòng)、氣動(dòng)和液動(dòng)控制。

總之，大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研究在120噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上開展，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平。主要的優(yōu)化工作包括：

（1）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和操作性。

（2）采用泵后搖擺技術(shù)，解決發(fā)動(dòng)機(jī)的偏心問題，控制搖擺力矩，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

（3）提高泵抗氣蝕能力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力。

（4）發(fā)揮數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平和研制效率。

4 大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)主要特性參數(shù)

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見表2。兩種大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1，總裝搖擺包絡(luò)尺寸見表3。

表2 大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)總裝結(jié)構(gòu)圖

表3 300噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸

5 大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與研制條件

大推力液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)代表了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的最高水平，需要解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在120噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，我國掌握了液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究方法，為大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)需要的獨(dú)有技術(shù)主要為高壓燃?xì)鈸u擺軟管，經(jīng)與國內(nèi)相關(guān)單位溝通，我國已具備了該軟管的材料和加工技術(shù)。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及其研究方案見表4。

表4 關(guān)鍵技術(shù)及其研究方案

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要研保條件包括整機(jī)熱試車臺(tái)、組件冷熱試驗(yàn)臺(tái)和生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)研究，目前的條件改造后可以滿足部分關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的需要，包括推力室等組件驗(yàn)證平臺(tái)（300噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)）的生產(chǎn)和試驗(yàn)等；600噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)及其部分生產(chǎn)設(shè)備需要新建。

6 結(jié)論

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是各國未來航天發(fā)展的核心動(dòng)力，600噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可用于百噸級(jí)LEO運(yùn)載能力的重型運(yùn)載火箭，滿足載人登月和深空探測(cè)、發(fā)射大型空間站等重大航天活動(dòng)的需求。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具有使用成本低、性能高、環(huán)保等優(yōu)良特性，是目前國外重點(diǎn)研發(fā)的動(dòng)力裝置，是未來包括載人航天在內(nèi)的各種重大航天活動(dòng)一種必需的動(dòng)力基礎(chǔ)。

本文提出600噸級(jí)大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)采用補(bǔ)燃循環(huán)、泵后搖擺、大范圍工況調(diào)節(jié)等先進(jìn)技術(shù)。按照目前技術(shù)水平和工業(yè)基礎(chǔ)，有望2020年左右可完成發(fā)動(dòng)機(jī)研制。

對(duì)于我國來說，大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)繼承性和帶動(dòng)性好，可以優(yōu)化和拓展我國新一代運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)、用于重型運(yùn)載火箭，滿足我國載人登月和深空探測(cè)、發(fā)射大型空間站等重大航天活動(dòng)的動(dòng)力需求，大幅度提升我國進(jìn)入空間的能力，為我國本世紀(jì)建設(shè)航天強(qiáng)國提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

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