液氧甲烷發動機重復使用關鍵技術發展研究

鄭大勇，顏 勇，孫紀國

0 引 言

重復天地往返運輸系統能夠快速穿越大氣層往返于天地間或能在外層空間軌道間機動飛行、按需返回地面并可重復使用的航天運輸系統，其液體火箭發動機技術相對成熟，已成功應用于一次性運載火箭和部分重復使用的航天飛機上。采用液體火箭動力構建的重復使用天地往返運輸系統，是目前較為現實的發展目標[1,2]。在重復使用液體火箭動力技術方面，各國主要開展了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷發動機技術研究。液氧甲烷發動機具有成本低、可重復使用、維護方便等特點，近年來逐漸成為各國重復使用運載器液體火箭發動機研究的重點。

1 液氧甲烷發動機技術特點及優勢

表1 常用液體推進劑基本物理特性Tab.1 Fundamental Physical Characteristic of Common Liquid Propellant

續表1

1.1 液氧甲烷發動機多次重復使用性能

重復使用發動機應具備多次重復使用的能力，應保證在各種使用條件下壽命長，具備幾十次甚至上百次的工作能力。

推力室是發動機的重要核心組件之一。推力室內壁裂紋破壞成為限制推力室壽命的主要因素，低周疲勞和高溫蠕變是造成燃燒室內壁裂紋破壞的主要原因。烴類燃料中，甲烷比熱高、粘度小，冷卻推力室后為超臨界氣體，壓降小，沒有熱分解問題，非常適宜用作推力室再生冷卻劑[9]。歐洲對富燃循環的液氧甲烷發動機推力室工作壽命進行了分析評估，液氧甲烷發動機推力室疲勞循環次數為46次，累計工作壽命為9200 s[10,11]；中國對60噸級液氧甲烷發動機再生冷卻身部的壽命仿真評估可達50余次，累計時間近10 000 s；推力室縮尺件熱試驗考核35次無異常；相比于同等室壓下的氫氧發動機推力室內壁4次試車即出現裂紋，60噸級液氧甲烷發動機整機累計啟動13次，2100余秒無裂紋。研究結果表明，無論是長時間工作，還是多次啟動關機，液氧甲烷發動機推力室具有較高的壽命裕度，能夠達到長壽命、多次使用要求。60噸級液氧甲烷發動機推力室縮尺件熱試驗狀態如圖1所示。

圖1 液氧甲烷發動機重復使用推力室縮尺件試驗Fig.1 LOX/Methane Subscale Thrust Chamber Testing

渦輪泵的能量密度用渦輪泵的功率與結構質量的比值表示，是決定渦輪泵工作壽命的主要因素之一。在相同的循環方案和推力情況下，甲烷渦輪泵的能量密度不到液氫渦輪泵的二分之一。國外研究結果表明，采用中等室壓的開式燃氣發生器循環方案，液氧甲烷發動機渦輪泵的工作壽命近10 000 s，即使采用高室壓的補燃方案，渦輪泵的能量密度仍可保證發動機重復使用20次以上，工作壽命大于4000 s[12,13]。中國開展的渦輪泵核心零組件壽命研究結果也表明，渦輪泵軸承及動密封等核心零組件的工作壽命已不低于80次；單臺渦輪泵經過13次啟動，總計2103 s發動機整機熱試車考核，渦輪泵軸承、密封軸套、浮動環結構完好，產品性能穩定，重復性較好，能夠滿足發動機長壽命、多次可重復使用要求。渦輪泵核心組件及臺架試驗情況如圖2所示。

圖2 渦輪泵核心組件及臺架試驗Fig.2 Core Component and Stand Test of Turbopump

1.2 液氧甲烷發動機使用維護性能

重復使用發動機應具有快速、高效的飛行后處理措施，能夠方便地清除剩余推進劑，具備便捷有效的測試檢查手段，以保證后續飛行過程的安全。

甲烷和液氧的沸點分別為112 K和90 K，具有沸點低、容易蒸發的特點，發動機工作結束后通過氮氣吹除即可將內腔推進劑處理干凈，狀態恢復最短時間為1～2天，發動機試后處理流程快速、高效。經過發動機換熱的甲烷蒸汽可以對貯箱進行自生增壓，有利于簡化增壓輸送系統方案。采用液氧甲烷發動機作為動力系統的運載器進行吹除、置換可以不用氦氣而采用氮氣，有利于降低成本。甲烷不結焦、燃燒積碳少，重復使用時無需清洗，對發動機多次重復使用性能無影響，發動機工作結束后無需進行特殊處理。

液氧甲烷發動機兼具液氫液氧和其他液氧烴發動機的特點，在重復使用性和使用維護性方面具有綜合性能好的特點，特別適合重復使用運載器、無毒上面級、軌道推進系統的使用要求，是未來航天運載器理想的動力裝置之一。

2 國外液氧甲烷發動機研究情況

美國聯合發射聯盟（United Launch Alliance, ULA）與藍色起源公司合作研制 250噸級 BE-4 液氧甲烷發動機，作為宇宙神5火箭一級RD-180液氧煤油發動機的替代方案和下一代部分重復使用火神運載火箭主動力的主要選擇之一[14]。目前，2017年5月發動機開展了渦輪泵聯動試驗驗證，10月完成首次全系統點火測試。BE-4液氧甲烷發動機模裝外形如圖3所示。

隨著移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術為智慧水務戰略提供了先進的技術基礎，“水十條”、《水污染防治法》等國家法律法規也為水務公司轉型發展提供了重要的推動力。但是也面臨著傳統機械水表更換為智能水表的巨額費用、智慧水務需要持續性資金投入、農村供水管道管網改造困難、企業管理人員思維方式轉換等方面的現實困難，而且國內在智慧水務戰略實施中尚未出現具有開創性的真正符合水務企業實際情況和實際管理需要的智慧水務整體解決方案和管控平臺，因此，智慧水務戰略的規劃設計與實施需要持續性的探索與研究，水務公司也將在智慧水務探索中獲得更多的管理水平提升和轉型發展經驗。

圖3 美國250噸級BE-4液氧甲烷發動機Fig.3 250-ton BE-4 LOX/methane Engine of USA

俄羅斯開展了基于模塊化設計的新一代聯盟-5系列運載火箭，計劃替代現有的聯盟號系列運載火箭和質子號運載火箭。聯盟-5系列運載火箭模裝如圖4所示。聯盟-5系列運載火箭將采用200噸級的液氧甲烷發動機 RD-0162作為主動力，同時也可以作為未來升力式重復使用火箭助推器動力[15]。俄羅斯認為，作為未來推進技術的一個主要發展方向，液氧甲烷發動機可以為未來重型、超重型以及低成本可重復使用運載火箭的研制鋪平道路，在傳統火箭和下一代可重復使用助推器之間建立了連通的橋梁。

歐洲明確提出了將液氧甲烷發動機用于未來可重復使用運載器和升級一次性運載火箭的發展設想，開展了200噸級液氧甲烷發動機伏爾加（Volga）的研究，作為未來可重復使用運載火箭一級動力[16]。Volga液氧甲烷發動機模裝外形如圖 5所示。同時，歐洲未來運載器準備計劃（Future Launcher Preparatory Programme，FLPP）中未來的 3種火箭方案均考慮了液氧甲烷發動機作為動力裝置，分別是采用200噸級Volga發動機的兩級重復使用火箭，采用 400噸級MX-4000發動機的一次性使用運載火箭，以及采用400噸級SE-12發動機的部分重復使用運載火箭。

圖5 歐洲200噸級Volga液氧甲烷發動機Fig.5 200-ton Volga LOX/methane Engine of Europe

隨著更加快速、高效、低成本進出空間的需求，由于液氧甲烷發動機以其高可靠、使用維護便捷、適于多次重復使用的綜合優勢，國外已將其作為低成本重復使用運載器的主要動力發展方向之一，廣泛開展了發動機關鍵技術研究，并提出明確的型號發展與應用方向。

3 中國液氧甲烷發動機

中國利用50噸級氫氧發動機的技術基礎和研究平臺，開展了60噸級液氧甲烷發動機關鍵技術攻關，完成了液氧甲烷發動機原理樣機集成演示驗證試驗，推力規模和試驗參數為目前國際最高水平，開辟了中國碳氫燃料火箭發動機發展的新方向[17,18]。

以重復使用飛行器為應用背景，進一步開展了重復使用液氧甲烷發動機關鍵技術研究，突破了液氧甲烷發動機燃燒、傳熱、啟動、轉子動力學、核心組件重復使用等多項關鍵技術，研制了一臺60噸級液氧甲烷發動機重復使用性能樣機，2016年，60噸級液氧甲烷發動機單機先后進行了13次、試驗時間累積2103 s，其中10次為200 s的長程試驗考核，驗證了發動機核心組件與發動機整機重復使用關鍵技術，體現了液氧甲烷發動機在重復使用領域的能力和優勢。60噸級液氧甲烷發動機熱試過程如圖6所示。

小推力液氧甲烷發動機，針對未來高性能、重復使用、低成本上面級動力裝置的需求，開展了 3噸級和8噸級高性能上面級液氧甲烷發動機關鍵技術攻關，為中國后續開展載人登月、深空探測、多星軌道布署等空間活動提供優選的技術途徑。

圖6 中國60噸級液氧甲烷發動機熱試Fig.6 Chinese 60-ton LOX/methane Hot-fire

目前，中國已基本突破了液氧甲烷發動機重復使用關鍵技術，初步形成液氧甲烷發動機的設計、制造和試驗能力，成功研制了重復使用液氧甲烷發動機性能樣機。甲烷和液氫同屬低溫推進劑，特性相似，材料體系和加工工藝相近，液氧甲烷發動機與氫氧發動機可實現“同料加工、同線生產、同臺試驗”，產品互換性強，便于實現通用化，符合高可靠、低成本的發展趨勢。

4 后續重點研究內容

相對于一次性運載器用動力裝置，重復使用運載器對動力系統提出了更高的要求，在發動機性能水平、工作壽命、使用維護性方面還需要進一步開展相關工作，才能滿足高效、重復使用技術要求。

4.1 發動機重復使用維護技術

目前的火箭發動機仍以一次性使用發動機為主，對發動機重復使用的檢測與維護技術涉及較少，技術成熟度較低。液氧甲烷發動機的重復使用維護技術研究分為：a）將檢測、維護便捷作為發動機方案設計的準則之一，注重組件模塊化、通用化與互換性，保證發動機可檢測性、維修可達性良好；b）在研制過程中，充分借鑒低溫氫氧發動機的和航空發動機重復使用維護檢測經驗，開展發動機整機重復使用維護技術研究，形成適用于液氧甲烷發動機的相關方法、流程、準則和標準。

4.2 故障監控技術

為實現發動機全壽命周期的健康狀態管理，開展發動機健康檢測與故障診斷系統研究。系統分為機載和地面兩個部分，分別完成不同階段和不同功能重點的管理任務：機載系統實現簡單的、實時性高的在線自主健康管理，滿足故障檢測、識別、定位、評估、隔離與處理；地面系統充分發揮資源優勢實現全面的、實時性要求不高的離線健康管理，實現壽命預測、維護保障策略、飛行數據記錄等。

4.3 大范圍推力調節及多次啟動技術

推力調節是運載器優化飛行軌道、降低飛行過載的有效手段，同時也是增加發動機適應性的重要措施。對于重復使用運載器，飛回發射場過程中，需要為火箭提供返場動力，或落地時作為反推發動機，使運載器安全著陸[19]。因此，重復使用火箭動力必須具備較大范圍的推力調節能力，必須開展大范圍變推力下的組件適應性及控制方案優化設計研究[20]。液氧甲烷屬于非自然推進劑，多次重復啟動液氧甲烷發動機可采用火炬點火、激光點火或諧振點火等具備多次重復使用能力的點火方式，需要對點火參數和方案進行深入研究[21]。

4.4 適于重復使用的新材料、新工藝技術

發動機結構材料和生產工藝，反映了結構動力優化設計技術和材料工藝水平的高低。為滿足運載器對輕量化、低成本的技術要求，需開展發動機結構優化技術，發動機輕質高強復合材料技術、一體化結構設計技術、增材制造技術和三維快速成型技術等適用于重復使用的新材料/新工藝技術研究，以實現發動機低成本、重復使用的目標。

4.5 重復使用設計與評估技術

目前，液氧甲烷發動機的整體設計框架仍基于一次性使用液體火箭動力，尚未完全建立起適用于重復使用液體火箭發動機的設計與評估的技術體系。后續需進一步開展重復使用液氧甲烷發動機優化設計方法研究與虛擬試驗驗證技術研究，以及基于可靠性的定量設計與評估方法研究，建立相對完整的重復使用液氧甲烷發動機設計和評估體系。

4.6 百噸級大推力高性能發動機技術

至2030年，中國航天發射整體仍呈大幅增漲趨勢。目前以60噸級液氧甲烷發動機為基礎構建的重復使用飛行器運載能力有限，難以滿足未來大規模進出空間、利用空間需求。針對后續大/中型重復使用運載器發展要求，有必要開展150～200噸級高性能液氧甲烷發動機總體技術方案及關鍵技術預先研究，進一步提升發動機總體性能水平。

5 結束語

液氧甲烷推進劑來源廣泛、成本低、無毒環保、性能較高。液氧甲烷火箭發動機兼具液氫液氧和液氧煤油發動機的特點，具有重復使用性能好、使用維護方便等特點，綜合性能良好，更加適宜于重復使用、低成本運載器的使用要求，是未來航天運載器的理想液體動力選擇之一。通過“十一五”、“十二五”的研究，中國已經基本突破了重復使用液氧甲烷發動機關鍵技術，驗證了60噸級液氧甲烷發動機重復使用性能，開辟了中國碳氫燃料火箭發動機發展的新方向，契合了世界重復使用火箭發動機的研究方向。為支撐未來重大航天運輸活動對可重復、高可靠、低成本動力系統的需求，持續開展并加強液氧甲烷發動機可重復關鍵技術研究，開展發動機工程應用研究，具有迫切需求和重大意義。