微小型運載火箭發(fā)動機發(fā)展分析

鐘 亞，劉黨輝

(航天工程大學(xué),北京 101416)

0 引言

當(dāng)前工業(yè)技術(shù)、商業(yè)需求的發(fā)展推動了微小衛(wèi)星的迅速發(fā)展，但發(fā)射成本居高不下嚴重制約了微小衛(wèi)星的發(fā)展。近十多年來，一些機構(gòu)和商業(yè)公司已經(jīng)開始嘗試解決微小衛(wèi)星現(xiàn)階段所面臨的發(fā)射成本較高、準(zhǔn)備周期長等問題。對微小型運載火箭來說，發(fā)動機成本約占火箭總成本的一半，而且研制發(fā)動機周期長，技術(shù)門檻高，是決定發(fā)射成本的核心因素。在尋求降低運載火箭成本的過程中，對運載火箭發(fā)動機新技術(shù)、新原理、新材料的研發(fā)，原有技術(shù)繼承改進等是有效的途徑。

本文結(jié)合近幾年國內(nèi)外航天機構(gòu)和商業(yè)公司對微小衛(wèi)星專用發(fā)射運載器的研究成果，對力求降低發(fā)射成本，提高發(fā)射機動靈活性具有代表性的方案進行歸納，并對其中關(guān)鍵發(fā)動機技術(shù)進行分析，為我國新型微小火箭發(fā)展提供借鑒。

1 發(fā)動機的繼承改進

研制一型全新的發(fā)動機成本高，周期長，而對已發(fā)射成功的火箭的發(fā)動機增強改進可以有針對性的解決原有型號存在的問題，并能充分利用已有資源，從而降低發(fā)動機研制生產(chǎn)制造成本。

美國的“米諾陶”系列火箭基本上是美軍方的導(dǎo)彈改良后得到的運載火箭，重新使用了由裁減武器條約而退役的導(dǎo)彈發(fā)動機，“米諾陶”I，“米諾陶”II使用LGM-30義勇兵導(dǎo)彈發(fā)動機，“米諾陶”III，IV及V結(jié)合使用LGM-118A和平守護者導(dǎo)彈固態(tài)燃料發(fā)動機。在2004年“米諾陶”IV運載火箭的發(fā)射成本就低至1 900～2 250萬美元，這個價格遠低于當(dāng)時同等運力的運載火箭，這歸功于其增壓組件由政府提供使用，不需要修改或增加額外組件，降低生產(chǎn)制造成本。該火箭主要任務(wù)是向政府資助的有效載荷提供低成本高可靠性的發(fā)射服務(wù)。“米諾陶”IV前三級都是采用固體火箭發(fā)動機，利用TVA系統(tǒng)控制的可動噴管進行三軸姿態(tài)控制。第四級是“Orion38”發(fā)動機，為“飛馬座”計劃設(shè)計，用于“米諾陶I”。通用的設(shè)計特點、材料和生產(chǎn)技術(shù)使接下來的“米諾陶”V，VI降低了成本、提高了可靠性。

SpaceX公司的“獵鷹1”號二級小型液體運載火箭的一級由“Kestrel”發(fā)動機提供動力，該發(fā)動機技術(shù)源自阿波羅登月計劃著陸引擎LEM?！癒estrel”是一種高性能可重復(fù)使用的發(fā)動機，給“獵鷹”1號火箭上面級提供31.1 kN的推力。

日本的“Epsilon”最初是作為2006年9月退役的“M-V”火箭的替代品，旨在為日本較小的衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)[1]?！癊psilon”2009年開始研制，其主要目標(biāo)是研制一種便宜、簡便、高性能的運載火箭，并于2013年9月成功實現(xiàn)首飛?！癊psilon”系列火箭沒有選擇研發(fā)一種新的發(fā)動機，而是采用已成功實踐的“H-II”輔助火箭和“M-V”的上面級，如圖1所示。在火箭結(jié)構(gòu)方面也是使用從“H-II”和“M-V”繼承的技術(shù)，在減輕火箭重量方面進行了改進[2]。

圖1 運用“M-V”發(fā)動機技術(shù)的“Epsilon” 系列火箭上面級發(fā)動機Fig.1 Upper engine of “Epsilon” series rocket with “M-V” engine technology

“Epsilon-1”長24.2 m，直徑2.6 m是“H-II”的一半大?？蓪?.2 t有效載荷送入幾百千米的軌道。據(jù)NASA報道[3]，“Epsilon-1”在2013年首飛之后進行了升級，并在2016年12月再次成功發(fā)射，在繼承自動化檢測技術(shù)的同時，降低發(fā)射成本，每次發(fā)射成本約為4 500萬美元，發(fā)射頻率也有所提高。一級使用“H-II”系列火箭的75 t SRB-A3固體火箭增壓器，通過添加固體燃料輥控噴注器在上升期間進行姿態(tài)控制。“Epsilon-2”二級使用M-35代替首航M-34c，用固定優(yōu)化噴管代替可延伸噴管，使得固體火箭發(fā)動機尺寸增加，同時可降低成本，另外，M-35可產(chǎn)生445 kN的推力，遠超M-34c產(chǎn)生的327 kN推力，并且燃燒時間增長15 s。第三級“Epsilon”使用KM-V2c替代KM-V2b，同樣是固定噴管替換可延伸噴管，相比于2013年的“Epsilon”火箭，在整體上增長2.6 m。利用更有效率的噴管設(shè)計，推進劑的效率提升許多，降低運載火箭發(fā)射成本[4]。

2 塞式發(fā)動機的創(chuàng)新應(yīng)用

近幾年，一些國外公司將目光投向一種先進的液體推進劑發(fā)動機——塞式發(fā)動機，其將軸對稱塞式噴管、環(huán)形燃燒室、常規(guī)渦輪泵、渦輪機驅(qū)動氣體注入到噴管基座的排氣系統(tǒng)以及燃燒分離周期結(jié)合起來，構(gòu)造一種全新的發(fā)動機[5]。該新型發(fā)動機是傳統(tǒng)發(fā)動機長度的1/4，使用塞式噴管能夠適應(yīng)高度的變化，在高低空都具有出色的性能，相比于常規(guī)火箭發(fā)動機具有很大優(yōu)勢。盡管塞式噴管在空氣動力推進領(lǐng)域并不新鮮，但是在火箭推進領(lǐng)域還是首次應(yīng)用。將其引入運載火箭領(lǐng)域旨在簡化運載火箭的結(jié)構(gòu)，從而達到高可靠性和降低成本的目的?，F(xiàn)階段具有代表性的是“螢火蟲阿爾法”火箭和ARCA空間公司的“Haas 2CA”火箭。

美國的“螢火蟲阿爾法”小型運載火箭使用恒定擠壓液氧甲烷發(fā)動機[6]，液氧甲烷比沖僅略遜色于液氧液氫，恒定擠壓安全性高而且性能可以達到要求。其一級使用9臺發(fā)動機并聯(lián)構(gòu)成氣動塞式(Aerospike)噴管，噴管以傳統(tǒng)鐘型噴管切成兩半為基礎(chǔ)，而后拉伸形成具有半噴管的環(huán)，構(gòu)成噴管的整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)火箭發(fā)射時，氣壓使熱氣體保持在類似鐘型噴管壁的一側(cè)。隨著航天器的升高，“噴管”的形狀會隨著空氣壓力的改變而發(fā)生改變，從而保證發(fā)動機的效率，氣動塞式噴管解決了傳統(tǒng)鐘型噴管只能在特定高度上保持較高效率的問題。

“螢火蟲阿爾法”和ARCA航天公司的“Haas 2CA”不約而同的采用了塞式發(fā)動機，“Haas 2CA”采用的線性塞式發(fā)動機(如圖2)是目前正在開發(fā)的最先進軌道發(fā)射器火箭發(fā)動機。

由于其能夠自動適應(yīng)高空壓降，在幾乎所有飛行水平下均能達到最佳性能，因此比其他火箭發(fā)動機使用燃料少30%。該發(fā)動機旨在保證低成本的基礎(chǔ)下實現(xiàn)高性能。通過16個節(jié)流燃燒室來實現(xiàn)推力矢量控制，改變各室混合比。ARCA計劃2018年進行首飛，一旦成功，“Haas 2CA”將成為歷史上首個單級入軌運載器，并且成本預(yù)估只有100萬美元。成功的關(guān)鍵在于線性塞式發(fā)動機，飛行器在飛行中自身進行調(diào)整，從低空引擎轉(zhuǎn)換為高空引擎。要想實現(xiàn)單級入軌，必然要使用一種可以在各個高度都保持高效率的發(fā)動機，塞式發(fā)動機正適應(yīng)這種需求。

由于漢江流域水資源開發(fā)利用任務(wù)重，涉及防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)各方用水權(quán)益和各部門利益，為完善流域管理和區(qū)域管理相結(jié)合的水資源管理體制，需要建立漢江流域由各省參加的流域水資源管理和保護聯(lián)席會議制度，建立跨區(qū)域、跨部門、跨行業(yè)的協(xié)作體制和信息共享機制，協(xié)商協(xié)調(diào)解決漢江流域水資源管理與保護的重大事宜。

圖2 兩種塞式發(fā)動機Fig.2 Two kinds of aerospike engines

該新型發(fā)動機的研究目前還處于不斷發(fā)展的過程中，各國航天機構(gòu)力求在降低生產(chǎn)制造成本的基礎(chǔ)上提高發(fā)動機各項性能。

3 超燃沖壓與組合循環(huán)發(fā)動機

上世紀(jì)50年代，各國已著手開展對超燃沖壓發(fā)動機的研究，最初的應(yīng)用目標(biāo)在于實現(xiàn)單級入軌的飛行器、遠程高速飛機和遠程高超聲速導(dǎo)彈[7]。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，超燃沖壓發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、機動性好、比沖高等特點。傳統(tǒng)的吸氣式發(fā)動機在工作過程中需要氧氣，而運載火箭從點火開始就需要燃料和氧化劑的消耗，進入太空后，外部氧氣含量不足以支持燃燒，這就需要運載火箭攜帶足夠的推進劑，往往推進劑的重量會占到發(fā)射總重量的50%以上。超燃沖壓發(fā)動機的原理就是在攀升過程中從大氣中獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑從大氣中獲取氧氣。圖3為固體火箭超燃沖壓發(fā)動機構(gòu)型，擁有兩個燃燒室(超聲速燃燒室和固體火箭燃燒室)，固體燃料首先在其燃燒室內(nèi)燃燒，燃后氣體與超聲速空氣在超聲速燃燒室二次混合燃燒，產(chǎn)生高溫燃氣，經(jīng)噴管膨脹后產(chǎn)生推力[8]。

2016年11月17日BBC網(wǎng)站披露，澳大利亞昆士蘭大學(xué)正在研究一種三級入軌運載器——“SPARTAN”，目標(biāo)是將500 kg衛(wèi)星送入軌道，并降低發(fā)射成本。一級為可重復(fù)使用的火箭助推器ALV(Austral Launch Vehicle)，將運載器送到25 km高度，速度到達5 Ma，二級由超燃沖壓發(fā)動機提供動力，飛行2/3航程，在此過程中發(fā)動機可以充分利用空氣中的氧氣，進入外層空間后分離，由第三級繼續(xù)工作。重復(fù)使用的ALV和第二級超燃沖壓發(fā)動機使得該系統(tǒng)95%可重復(fù)使用，降低成本。

圖3 固體火箭超燃沖壓發(fā)動機工作機理Fig.3 Working mechanism of solid rocket scramjet engine

“SPARTAN”的選擇很明顯，因為超燃沖壓發(fā)動機工作時需要首先達到一定的初速度，所以現(xiàn)階段超燃沖壓發(fā)動機還不能夠單獨運用到運載火箭發(fā)射中。因此，在航天方面超燃沖壓發(fā)動機多是組合使用，像火箭基組合循環(huán)(RBCC)以及渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(TBCC)。其中渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機適用于馬赫數(shù)5～8的高超聲速飛行器，不適合用于運載火箭，這里不做討論?；鸺M合循環(huán)發(fā)動機以火箭/雙模態(tài)沖壓組合發(fā)動機為代表，已開始進入應(yīng)用研究的飛行試驗階段。RBCC是對火箭發(fā)動機、亞燃沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機的整合。工作模態(tài)分為：引射、亞燃沖壓、超燃沖壓和純火箭模態(tài)[9]。將火箭發(fā)動機高推重比、低比沖的特點和吸氣式發(fā)動機低推重比、高比沖的特點結(jié)合起來，揚長避短，進而達到高效和經(jīng)濟的特性。

早在2000年，Aerojet公司就成功完成對Strutjet基于火箭組合循環(huán)發(fā)動機的試驗。在飛行過程中，Strutjet發(fā)動機首先是引射模態(tài)，加速到3 Ma后，進入沖壓模態(tài)，達到8 Ma后，轉(zhuǎn)為純火箭模態(tài)，在大氣層外繼續(xù)加速。因為大氣提供了大部分的氧化劑，相比于普通運載器，運載器重量能降低大約一半，相應(yīng)的運載能力提高，成本降低。NASA的ISTAR發(fā)動機基于Strutjet發(fā)動機，于2015年開發(fā)出全尺寸實用發(fā)動機[10]。

推進劑質(zhì)量的減少以及不局限于只能在大氣內(nèi)飛行等特點，RBCC必將在未來運載器的市場中占據(jù)一席之地。對于微小型運載火箭來說，RBCC的工作模式和特點符合微小型運載火箭低成本靈活高效的需求。

4 發(fā)動機3D打印技術(shù)

2015年4月15日，硅谷公司在加利福尼亞成功進行火箭試驗，雖然飛行時間很短，但是這是人類歷史上第一次運用3D打印技術(shù)打印火箭發(fā)動機，并成功采用陸基發(fā)射方式發(fā)射成功。2017年5月24日，火箭實驗室公司的“電子”號小火箭首飛，此小火箭是專門面向小衛(wèi)星市場，提供低成本、輕便的發(fā)射服務(wù)[6]。

“電子”號是一種小型火箭，使用碳復(fù)合材料作為主體，用于向國際空間站發(fā)射有效載荷。發(fā)射成本約490萬美元，“電子”號小火箭中最具代表的是其革命性的發(fā)動機設(shè)計。其一級采用9個小型液體推進發(fā)動機，二級使用1個相同發(fā)動機，該發(fā)動機以新西蘭科學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Emest Rutherfod)命名，單個“盧瑟?！卑l(fā)動機在真空中能夠產(chǎn)生22 kN最大推力，用獨特的電動泵壓式的發(fā)動機取代了傳統(tǒng)渦輪泵增壓發(fā)動機，在降低總體重量的同時提高了發(fā)動機的效率。對于“電子”號火箭來說，每級的單個發(fā)動機可產(chǎn)生超過8.5 kN的點火推力，隨著高度的上升，推力可增加到略大于10.2 kN。二級的發(fā)動機經(jīng)過真空優(yōu)化可產(chǎn)生最大11.2 kN的推力。

這款發(fā)動機采用3D打印技術(shù)方式，主要部件包括閥門、噴注器、泵以及發(fā)動機腔室全部都是3D打印而成，并且整個打印過程只需24 h。如果采用傳統(tǒng)手段制造，則需要長達一個月的時間。在燃料和氧化劑從推進劑貯箱下流入燃料和氧化劑泵中時，電機驅(qū)動泵為推進劑增壓。每個發(fā)動機的泵由直流電動機驅(qū)動，驅(qū)動泵電動機由鋰聚合物電池組供電。獨特的電驅(qū)動設(shè)計取代了傳統(tǒng)燃氣發(fā)生器發(fā)動機中使用的渦輪組件，節(jié)省了推進劑的消耗，提高了發(fā)動機的效率。

在發(fā)動機啟動時，液氧從推進劑貯箱進入氧化劑電動泵泵后，直接進入發(fā)動機燃燒室；煤油也從其貯箱進入燃料電動泵，不同的是在到達燃燒室之前，先經(jīng)過身部冷卻通道換熱，如圖4所示?；?D打印技術(shù)以及電驅(qū)動的方式，“盧瑟?！卑l(fā)動機效率可以達到95%，符合未來航天低成本高可靠性、快速響應(yīng)的發(fā)展方向。

圖4 “盧瑟?！卑l(fā)動機及工作機理Fig.4 “Rutherford” engine and its working principle

3D打印技術(shù)在航天發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅局限于小型運載火箭，除“電子”號小型運載火箭的“盧瑟?！卑l(fā)動機外，在大型運載火箭發(fā)動機制造中也得到充分運用。在2014年，Aerojet Rocketdyne宣布，使用3D打印技術(shù)直接制造出一臺完整“迷你型Banton”液氧/煤油發(fā)動機并成功通過測試。AR1火箭發(fā)動機主噴注器完全使用3D打印技術(shù)制造，僅此一項就減少零部件9個月的制造時間，降低70%成本。SpaceX公司在2013年使用鎳鉻合金材料，運用3D打印技術(shù)制造SuperDraco火箭發(fā)動機推力室，此發(fā)動機十分復(fù)雜，運用傳統(tǒng)制造技術(shù)很難加工，制造成本和周期長，EOS可打印高強度先進合金的能力正是解決這個問題的關(guān)鍵。2018年1月發(fā)射的“獵鷹-9”火箭上也有很多3D打印的零部件。

5 發(fā)動機新材料技術(shù)

先進復(fù)合材料ACM(Advanced Composite Materials)具有優(yōu)異的性能，在航天發(fā)動機方面得到廣泛應(yīng)用。C/C復(fù)合材料屬于高性能、功能復(fù)合材料，具有高強度、高模量、高斷裂韌性及隔熱性能良好等優(yōu)異特性，在2 000 ℃以上的非氧化環(huán)境下具有輕質(zhì)，高強度的特點，因此可以用于運載火箭發(fā)動機噴管制造[8]，可大幅度減小噴管的質(zhì)量，簡化噴管結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)低，選擇其作為火箭發(fā)動機喉襯不會像鎢滲銅喉襯一樣易產(chǎn)生Al2O3沉積層，效率高。C/C復(fù)合材料與石墨材料相比，性質(zhì)相似，但是抗熱震能力強，在工作時間較短的中小型發(fā)動機上可以采用石墨材料，在其他火箭發(fā)動機上，石墨材料就會差很多，C/C材料就更加合適。由于3D-C/C復(fù)合材料以碳纖維三維編織物為增強體制得，一次編織成型、不需要縫合和機械加工，纖維貫穿材料長、寬、高三方向形成三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅可以等效替換傳統(tǒng)金屬件，而且能夠根據(jù)復(fù)合材料的特點進行靈活的優(yōu)化，因此已成為航天、航空等高科技領(lǐng)域的重要新型材料[12-13]。

上世界80年代，西歐采用SEP研制的螺旋形狀碳布鋪層2D-C/C擴張段。日本的“Epsilon”系列運載火箭一級使用“M-V”的發(fā)動機，SRB-A噴管使用3D-C/C復(fù)合材料具有整體喉襯入口段的鐘型噴管，采用整體碳纖維-環(huán)氧纖維纏繞殼體[12]。美國CASTOR120，ORBUS2，日本的M系列(M14，M25)都是用于小型固體運載火箭的發(fā)動機，喉襯采用C/C復(fù)合材料。印度的S7HPM，M34發(fā)動機喉襯使用石墨材料。

發(fā)動機燃燒室殼體中燒蝕層和隔熱層對材料的要求很高。目前，發(fā)動機燃燒室殼體材料經(jīng)歷了4代發(fā)展過程，分別為金屬材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機芳綸復(fù)合材料、高強中模碳纖維復(fù)合材料。近年來，用高強度碳纖維編制纏繞增強塑料制成火箭發(fā)動機燃燒室殼體受到廣泛重視，C/C復(fù)合材料具有強度/質(zhì)量大的優(yōu)勢，用之可以較大幅度地改善火箭發(fā)動機燃燒室殼體的性能[13]。

意大利研制的“vega”是一個四級小型運載火箭，作為“阿里安(Ariane)5”火箭和“聯(lián)盟號”的補充，火箭一級發(fā)動機為P80FW,采用碳纖維增強復(fù)合材料纖維纏繞殼體。二、三級發(fā)動機為Zefiro 23和Zefiro 9也采用碳纖維纏繞復(fù)合材料，但采用的纖維有所不同，P80殼體使用M30S纖維，二、三級殼體采用T1000G,可以滿足更嚴格的質(zhì)量比要求。我國玻璃纖維/環(huán)氧、芳綸/環(huán)氧ACM及碳ACM等材料的發(fā)動機燃燒室殼體已應(yīng)用于航天運載器[14]。

6 結(jié)束語

微小衛(wèi)星如火如荼的發(fā)展，發(fā)射需求的不斷增長，帶動微小型運載火箭及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。發(fā)動機作為其中成本占比最高，最關(guān)鍵也是最困難的部分，一直是各國關(guān)注以及亟待尋求進展的部分。對原有技術(shù)的繼承與發(fā)展、新型發(fā)動機的設(shè)計研發(fā)、先進制造技術(shù)研制，都應(yīng)考慮這些方面的得失。據(jù)此對我國微小型運載火箭發(fā)動機的發(fā)展提出一些建議：

1)繼承改進原有火箭發(fā)動機。充分利用已有資源，對原有技術(shù)繼承應(yīng)用、創(chuàng)新應(yīng)用，降低研制生產(chǎn)成本。

2)開發(fā)新型微小火箭發(fā)動機。塞式發(fā)動機運用到單級入軌火箭中可達到降低發(fā)射成本，提高可靠性的目的。我國的超燃沖壓發(fā)動機在高超聲速飛行器方面也在開展試驗，但是將超燃沖壓發(fā)動機應(yīng)用到航天領(lǐng)域還缺乏創(chuàng)新點，尤其是對RBCC的研究起步比較晚，國內(nèi)應(yīng)及早制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略，緊跟國際動態(tài)。

3)發(fā)展先進制造技術(shù)和先進復(fù)合材料。3D打印制造技術(shù)的應(yīng)用針對解決復(fù)雜零件生產(chǎn)以及生產(chǎn)周期長的問題有明顯的優(yōu)勢；開發(fā)具有高性能、功能性先進復(fù)合材料及其制造工藝，從而提高火箭發(fā)動機的性能、可靠性。