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航天動力系統(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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隨著航天運輸領(lǐng)域的發(fā)展對航天動力系統(tǒng)的需求不斷提升,總結(jié)國外航天動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,分析內(nèi)在啟示;根據(jù)我國航天運輸系統(tǒng)未來發(fā)展,提出我國航天動力系統(tǒng)的發(fā)展需求,并進(jìn)一步結(jié)合多方約束闡述對解決方案的思考。
引 言
太空是維護(hù)國家安全和利益的制高點,航天動力系統(tǒng)是進(jìn)入空間和利用空間的基礎(chǔ)。隨著國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的不斷提高及人類空天活動領(lǐng)域的不斷擴展,航天運輸系統(tǒng)對動力系統(tǒng)性能要求也越來越高,對新型動力系統(tǒng)提出需求的領(lǐng)域也越來越廣。
航天動力系統(tǒng)通常包括主動力系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)及增壓輸送系統(tǒng),本文分析范疇暫限于主動力系統(tǒng),即為航天運輸系統(tǒng)提供飛行主推力的發(fā)動機系統(tǒng)。我國航天動力系統(tǒng)經(jīng)過 60 年的發(fā)展,形成了以長征系列運載火箭一級、二級、助推級發(fā)動機為代表的常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)動機,以 CZ-3A 系列運載火箭三級為代表的低溫液氫/液氧發(fā)動機和涵蓋多直徑、全系列產(chǎn)品的固體發(fā)動機,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),為我國國防建設(shè)、科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)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)動機和大推力液氫/液氧發(fā)動機完善了液體火箭主動力型譜,有效地保障了新一代運載火箭研制,推動了航天運輸系統(tǒng)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(shè);新型固體發(fā)動機的成功研制有力地推動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(guī)劃陸續(xù)開展,中國航天又迎來新的發(fā)展契機。面對新機遇,迎接新挑戰(zhàn),系統(tǒng)總結(jié)國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)和未來趨勢,結(jié)合我國航天動力系統(tǒng)特點,深入思考我國航天動力系統(tǒng)發(fā)展的需求、面臨的問題和解決方案,進(jìn)一步推動航天動力系統(tǒng)發(fā)展,對加快我國由航天大國到航天強國轉(zhuǎn)變、增強國防實力和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。
1 國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢及思考
1.1 國外航天動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
1.1.1 美國
美國航天動力系統(tǒng)發(fā)展的原動力為國家級的戰(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劃用的 F-1 液氧/煤油發(fā)動機和 J-2 液氫/液氧發(fā)動機,到航天飛機液氫/液氧發(fā)動機和大推力固體發(fā)動機,再到 RS-68 液氫/液氧發(fā)動機,新型動力系統(tǒng)的出現(xiàn)都是以服務(wù)美國國家戰(zhàn)略為目標(biāo)。隨著商業(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(zhuǎn)移到商業(yè)領(lǐng)域,創(chuàng)造更大的市場價值;另一方面不斷鼓勵私人公司利用商業(yè)資本和市場機制,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 力 系 統(tǒng),完 善 國 家 航 天 動 力 系 統(tǒng)體系。
當(dāng)前階段,美國新型航天動力系統(tǒng)的發(fā)展仍然是國家在主導(dǎo)。在重型運載火箭 SLS 研制的牽引下,美國陸續(xù)開展了新型液體火箭發(fā)動機和固體火箭發(fā)動機的研制、試驗工作 (試車見圖 1 ),包括基于航天飛機動力系統(tǒng)的 RS-25E 液氫/液氧發(fā)動機、基于通用半人馬座的 RL10 系列液氫/液氧發(fā)動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)動機,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)動機 (見圖2 )和 BlueOrigin 公司 的 BE-4 液氧/甲烷 發(fā) 動機(見圖 3 ), Vulcan 火箭方案的正式發(fā)布無疑會極大地推動這一進(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)動機 (見圖 4 )的替代品,配備 RD-181 發(fā) 動 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)航天的門檻,大范圍推力可調(diào)的開式循環(huán) Merlin 液氧/煤油發(fā)動機 (見圖 5 )再次成為業(yè)界焦點, FalconHeavy 的首飛成功無疑將 Merlin 發(fā)動機推向了極致; BE-3 液氫/液氧發(fā)動機的飛行驗證成功 (2015 年 5 月 4 日)展示了商業(yè)航天對動力系統(tǒng)的巨大推動作用;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(yīng)能力是固體發(fā)動機與生俱來的優(yōu)點,并且極富吸引力。
美國為了保持在航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)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(zhàn)略的牽引下,新型大推力航天發(fā)動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(biāo),甚至可以以犧牲部分性能為代價,典型的措施包括采用成熟的技術(shù)來避免新研發(fā)動機的高昂成本,采用推力可調(diào)節(jié)發(fā)動機以實現(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。美國航天工業(yè)的多元化使得航天動力系統(tǒng)呈現(xiàn)良性發(fā)展:基于國家意志展開新技術(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(zhuǎn)移到民用和商業(yè)領(lǐng)域,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值,并推動新興企業(yè)發(fā)展,進(jìn)一 步 完 善 航 天 工 業(yè) 體 系,帶 動 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,也標(biāo)志著 RD-191 發(fā)動機 (見圖 6 )正式在俄羅斯的工程實際應(yīng)用。系列化的高性能液氧/煤油補燃發(fā)動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,更能體現(xiàn)航天運輸系統(tǒng)模塊化發(fā)展對動力系統(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)動機的優(yōu)秀使用維護(hù)性。
在重復(fù)使用發(fā)動機方面,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)動機的研究 (見圖 7 ),并與韓國合作研制了 CHASE-10 液氧甲烷發(fā)動機,但均處于地面研制狀態(tài),尚未實現(xiàn)飛行。
受限于體制改革沖擊和經(jīng)濟(jì)形勢壓力,基于國家意志的俄羅斯航天動力系統(tǒng)雖然前進(jìn)步伐放緩,但始終沒有停止發(fā)展的腳步。強大的動力系統(tǒng)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)動機 (見圖 8 )支撐了歐空局近 20 年的阿里安 5 發(fā)射任務(wù),充分驗證了低溫氫氧芯級加固體助推運載方案的可靠性。織女星運載火箭的成功 (2012 年 2 月 13 日),芯一級發(fā)動機 P80 指明了整體式大推力固體發(fā)動機的發(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)動機 (見圖 9 )和新型固體發(fā)動機的發(fā)展 ,芯一級繼承阿里安 5 火箭的火神2 發(fā)動機則節(jié)省了重新研制主動力系統(tǒng)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力發(fā)動機 SABRE (見圖 10 )的 Sky-
lon 飛行器,力求實現(xiàn)高性能跨空域工作發(fā)動機、單級入軌和多次重復(fù)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(yīng)用仍存在一定距離 。
立足預(yù)研,充分繼承,無疑是動力系統(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(xiàn)了日本在固體發(fā)動機領(lǐng)域的先進(jìn)水平。大推力固體發(fā)動機由于其高性價比、使用維護(hù)方便和潛在的軍事用途,成為航天動力系統(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必將進(jìn)一步牽引日本航天動力系統(tǒng)的發(fā)展,主發(fā)動機 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 ,目前已完成樣機生產(chǎn)并成功開展多次熱試車 。
結(jié)合自身需求開展動力系統(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)驗證了印度在固體發(fā)動機領(lǐng)域強大的設(shè)計和生 產(chǎn) 能 力, CE-20 液 氫/液 氧 發(fā) 動 機 (見 圖12 )的多次地面長程試車的成功 ( 2015 年 4 月 28日、 2015 年 7 月 16 日)無疑會進(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,表明印度終于實現(xiàn)了低溫上面級飛行主發(fā)動機的國產(chǎn)化,向獨立自主發(fā)展高性能航天運輸系統(tǒng)邁進(jìn)了一大步。
高性能低溫上面級動力系統(tǒng)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(zhàn)略的形式制定規(guī)劃,為航天動力系統(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。基于商業(yè)模式的航天動力系統(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)動機研制勢在必行
大推力發(fā)動機的技術(shù)水平?jīng)Q定一個國家進(jìn)入空間和利用空間的能力,大推力液體發(fā)動機和大推力固體發(fā)動機的協(xié)同發(fā)展可以極大地豐富運載火箭主動力型譜,并為國家戰(zhàn)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止境
高性能的航天動力系統(tǒng)可以有效提高航天運輸系統(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)、簡化射前操作流程、液體發(fā)動機降低起動前泵入口壓力等逐漸成為航天動力系統(tǒng)的重要指標(biāo)要求。優(yōu)秀的使用維護(hù)性是航天動力系統(tǒng)走向市場的必然途徑。
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)成為未來航天運載器和航天動力系統(tǒng)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(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 主 發(fā) 動 機(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 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
航天動力系統(tǒng)的可靠性決定著整個運載器的成敗,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)于動力系統(tǒng)發(fā)展思路的討論尚無定論,很多時候需要在高可靠和低成本、高性能之間進(jìn)行權(quán)衡。動力冗余勢必要求電氣系統(tǒng)設(shè)計理念的突破,動力系統(tǒng)大量的地面試驗會顯著提高研制成本,開式循環(huán)發(fā)動機必然導(dǎo)致性能的降低……面對航天動力系統(tǒng)的高可靠要求,很多工作仍有待深入展開。
2 我國航天動力系統(tǒng)需求方向及發(fā)展建議思考
2.1 我國航天動力系統(tǒng)需求方向
發(fā)展大型、重型運載火箭及可重復(fù)使用火箭是一個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(hù)方便是動力系統(tǒng)的重點發(fā)展方向 ,在高可靠的基礎(chǔ)上實現(xiàn)低成本是重中之重。我國航天運輸系統(tǒng)的新發(fā)展對動力系統(tǒng)提出了新的需求。
2.1.1 動力系統(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)動機、液氧/煤油發(fā)動機和液氫/液氧發(fā)動機提出了新的研制需求 。固體發(fā)動機需要實現(xiàn)大推力的技術(shù)突破;液體發(fā)動機不僅需要比沖、推力、推質(zhì)比等性能有所提升,還需要具備推力調(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)級發(fā)動機的推力構(gòu)型將直接影響總體構(gòu)型的優(yōu)化,在實現(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)動機大范圍節(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)動機和液氫/液氧發(fā)動機改進(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)提供強有力支撐。同時,針對新中型、小型低成本運載火箭上面級構(gòu)型論證中發(fā)動機性能指標(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)動機的性能改進(jìn)也存在較大需求。
(3 )開式循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機
與閉式循環(huán)相比,開式循環(huán)發(fā)動機具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、組件相互獨立性好、研制周期短、研制費用低的特點,結(jié)合推進(jìn)劑致密化可實現(xiàn)高比沖。近幾年也逐漸顯現(xiàn)出開式循環(huán)是國外液氧/煤油發(fā)動機的發(fā)展方向之一 ,我國有必要積極開展相關(guān)研究,進(jìn)一步豐富液體火箭發(fā)動機主動力型譜。
(4 )先進(jìn)空射動力系統(tǒng)
空基發(fā)射具有良好的機動性、靈活性,是實現(xiàn)快速進(jìn)入空間的重要途徑之一。近年來國外陸續(xù)推出了多個空射動力系統(tǒng)方案,包括如飛馬座低成 本、 高 性 能 的 Orion 系 列 固 體 發(fā) 動 機,ALASA 項目 SALVO 空射系統(tǒng)推出的液氧/煤油發(fā)動機,太空船二號使用的固液混合發(fā)動機等。我國亟待開展先進(jìn)空射動力系統(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,推力可達(dá)百噸量級,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)劑的動力系統(tǒng)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(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、泄漏危險性小、揮發(fā)性小的凝膠狀推進(jìn)劑,在發(fā)射時通過加壓剪切、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)動機的性能 (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)動機
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)使用運載器對發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的重要需求?；谝貉?甲烷推進(jìn)劑組合的火箭發(fā)動機是適應(yīng)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)動機開展了大量的研究工作 。
液氧/甲烷發(fā)動機在同樣的循環(huán)方式下比液氧/煤油發(fā)動機比沖高 10s 左右,但甲烷密度低于煤油,對貯箱結(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)動機
以吸氣式發(fā)動機、吸氣式組合發(fā)動機為動力的航天運輸系統(tǒng),由于其高機動性、可重復(fù)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)動機 ( RBCC )將火箭發(fā)動機、沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機有機地組合起來,充分利用火箭發(fā)動機高推質(zhì)比、低比沖及吸氣式發(fā)動機低推質(zhì)比、高比沖的優(yōu)勢和特色,可實現(xiàn)高效性與經(jīng)濟(jì)性的最佳組合。
2.1.2 動力系統(tǒng)性能需求
2.1.2.1 液體發(fā)動機性能需求
(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足發(fā)展,如比沖最高的實用型推進(jìn)劑組合液氫/液氧發(fā)動機已經(jīng)大幅應(yīng)用,對于閉式循環(huán)發(fā)動機無論是液氧/煤油還是液氫/液氧發(fā)動機在我國都已經(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)量下獲得更高的運載能力。在當(dāng)今以 “克”為減重單位的火箭設(shè)計中,發(fā)動機高推質(zhì)比意義重大。
(3 )可調(diào)節(jié)推力
發(fā)動機推力可調(diào)是實現(xiàn)運載火箭飛行環(huán)境控制、優(yōu)化飛行彈道等主動控制能力的必要手段,不僅簡化了火箭系統(tǒng)設(shè)計,而且使火箭上面級的設(shè)計更具靈活性。對于載人運載火箭,可以通過推力調(diào)節(jié)控制過載,保證宇航員在整個飛行過程中承受的過載處于合理水平。
(4 )低入口壓力
對于液體火箭發(fā)動機,貯箱內(nèi)氣枕壓力主要由發(fā)動機入口壓力決定,如果發(fā)動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(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,其工作壓力上限主要依據(jù)發(fā)動機工作時的增壓要求。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,對于提高火箭運載能力具有直接貢獻(xiàn)。
(5 )泵后擺
大型液體火箭發(fā)動機泵后擺技術(shù)可顯著提高發(fā)動機與伺服機構(gòu)小回路的諧振頻率,增加伺服系統(tǒng)彈性振動的穩(wěn)定裕度。從國外航天發(fā)展來看,液體火箭發(fā)動機泵后擺技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。同時,采用泵后擺技術(shù)能夠降低伺服機構(gòu)的設(shè)計難度,使伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量減小。而泵前擺發(fā)動機可能出現(xiàn)低頻振動問題,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
為適應(yīng)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)動機具有長時間在軌工作、多次啟動的能力,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(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
增強發(fā)動機使用維護(hù)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)動機的設(shè)計階段就貫徹對使用維護(hù)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)射市場的實力。具體的需求包括優(yōu)化起動程序,簡化供配氣保障要求,自動化測試流程,增強推遲發(fā)射適應(yīng)能力,優(yōu)化起動前程序和后處理流程等。
2.1.2.2 固體發(fā)動機性能需求
(1 )大推力
當(dāng)前,我國研制的固體發(fā)動機最大推力水平仍處于百噸級 (2016 年 8 月 2 日成功進(jìn)行了 Φ 3m 、2 分 段 固 體 發(fā) 動 機 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)動機的研制需求。
(2 )高性能
固體發(fā)動機的高性能指標(biāo)要求具有較高的比沖、質(zhì)量比和工作壓強,同時應(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)動機面向市場的重要途徑,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(diào)節(jié)能力不足等固有缺點對固體發(fā)動機發(fā)展的不利影響。
(4 )模塊化、系列化
固體發(fā)動機向模塊化、系列化方向發(fā)展,可以適應(yīng)在運載器芯級、助推級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,擴展適用范圍。
2.2 我國航天動力系統(tǒng)發(fā)展建議
每一代運載火箭的發(fā)展都離不開動力系統(tǒng)的跨越,“運載發(fā)展、動力先行,動力發(fā)展、總體牽引”是中國航天幾十年來的經(jīng)驗總結(jié),凸現(xiàn)總體超前科學(xué)規(guī)劃的重要性。運載火箭的動力選擇是一個多約束的總體優(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載能力需求的火箭型譜,并據(jù)此確定動力系統(tǒng)解決方案。
2.2.1 以在研在飛型號性能提升為出發(fā)點,務(wù)實推動現(xiàn)有發(fā)動機性能改進(jìn)
運載火箭對性能的追求是無止境的, 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(gòu)型論證中液體發(fā)動機和固體發(fā)動機性能指標(biāo)優(yōu)化方案,對我國成熟發(fā)動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(diào)節(jié)、優(yōu)化使用維護(hù)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(fù)為目標(biāo),積極推進(jìn)可重復(fù)發(fā)動機研制
高可靠是航天運輸系統(tǒng)的生命線,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(fù)是低成本的重要實現(xiàn)途徑,更會引起運載火箭總體設(shè)計和發(fā)動機產(chǎn)品研究從設(shè)計理念到工程實踐革命性的改變。液氧/甲烷火箭發(fā)動機是適應(yīng)該需求的重要選擇之一。
2.2.3 以重型運載火箭為牽引,有效落實大推力發(fā)動機研制和總體 - 動力一體化設(shè)計
重型運載火箭的立項與研制是我國載人登月和大規(guī)模空間探測與應(yīng)用的必然選擇,更是一個國家邁向航天強國的必然途徑。我國目前已有的發(fā)動機推力均無法滿足重型的需求,大推力液體火箭發(fā)動機研制逐漸提上日程。經(jīng)過前期論證,我國重型運載火箭對大推力液氧/煤油發(fā)動機、液氫/液氧發(fā)動機和固體發(fā)動機都提出了迫切需求,同時還需要發(fā)動機具備推力調(diào)節(jié)、故障診斷等功能。另外,結(jié)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(yīng)聯(lián)合發(fā)動機單位建立更廣泛的一體化設(shè)計思路,將發(fā)動機指標(biāo)納入火箭構(gòu)型設(shè)計中,形成性能、周期、經(jīng)費等綜合指標(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)
隨著人類對宇宙空間的探索和利用能力不斷增強,太空已成為維護(hù)國家安全和國家利益的制高點。快速進(jìn)入空間能力可以保障國家在突發(fā)事件來臨時積極應(yīng)對、迅速反應(yīng),有效維護(hù)國家安全和戰(zhàn)略主動性。美國、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)國防現(xiàn)代化和增強國防實力,我國應(yīng)及時開展快速進(jìn)入空間先進(jìn)空射推進(jìn)技術(shù)的研制,包括液體發(fā)動機、固體發(fā)動機以及固液混合發(fā)動機,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,著力開展新概念推進(jìn)技術(shù)論證
深空探測往往最能體現(xiàn)一個國家的科技創(chuàng)新實力,在這一領(lǐng)域一直都是發(fā)達(dá)國家獨領(lǐng)風(fēng)騷。探月工程一期、二期的成功實施,充分體現(xiàn)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)有能力適時開展更遠(yuǎn)的行星際探測。深空探測對航天動力系統(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)動機研制單位和反應(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),面向市場探索航天動力發(fā)展新引擎
政府的牽引始終是航天動力系統(tǒng)發(fā)展最重要的驅(qū)動力。我國新一代運載火箭是國家層面的重大戰(zhàn)略,極大地推動了我國液體發(fā)動機和固體發(fā)動機的跨越式發(fā)展。面對新形勢,航天動力系統(tǒng)迎來了新一輪的發(fā)展機遇,這也迫切要求國家層面出臺相關(guān)的規(guī)劃助力航天發(fā)展。國際范圍內(nèi)商業(yè)航天如火如荼,如何有效利用市場機制、整合商業(yè)資本,探索推動我國航天動力發(fā)展的新引擎是當(dāng)前的另一個重要研究方向。
3 總結(jié)
航天動力系統(tǒng)的發(fā)展直接決定著我國航天運輸體系的構(gòu)建和進(jìn)出空間的能力。本文總結(jié)了美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等航天大國和相關(guān)組織的航天動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢,深入分析了相關(guān)啟示意義;并根據(jù)我國航天運輸系統(tǒng)未來發(fā)展需求,提出我國的航天動力系統(tǒng)的需求方向;結(jié)合我國航天運輸系統(tǒng)體系規(guī)劃和具體國情,進(jìn)一步闡述對我國航天動力系統(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,黃輝,邵業(yè)濤,黃兵；單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所。
