微小型運載火箭發動機發展分析

鐘 亞，劉黨輝

(航天工程大學,北京 101416)

0 引言

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

本文結合近幾年國內外航天機構和商業公司對微小衛星專用發射運載器的研究成果，對力求降低發射成本，提高發射機動靈活性具有代表性的方案進行歸納，并對其中關鍵發動機技術進行分析，為我國新型微小火箭發展提供借鑒。

1 發動機的繼承改進

研制一型全新的發動機成本高，周期長，而對已發射成功的火箭的發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，從而降低發動機研制生產制造成本。

美國的“米諾陶”系列火箭基本上是美軍方的導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彈發動機，“米諾陶”I，“米諾陶”II使用LGM-30義勇兵導彈發動機，“米諾陶”III，IV及V結合使用LGM-118A和平守護者導彈固態燃料發動機。在2004年“米諾陶”IV運載火箭的發射成本就低至1 900～2 250萬美元，這個價格遠低于當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，降低生產制造成本。該火箭主要任務是向政府資助的有效載荷提供低成本高可靠性的發射服務。“米諾陶”IV前三級都是采用固體火箭發動機，利用TVA系統控制的可動噴管進行三軸姿態控制。第四級是“Orion38”發動機，為“飛馬座”計劃設計，用于“米諾陶I”。通用的設計特點、材料和生產技術使接下來的“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”發動機提供動力，該發動機技術源自阿波羅登月計劃著陸引擎LEM。“Kestrel”是一種高性能可重復使用的發動機，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星提供發射服務[1]。“Epsilon”2009年開始研制，其主要目標是研制一種便宜、簡便、高性能的運載火箭，并于2013年9月成功實現首飛。“Epsilon”系列火箭沒有選擇研發一種新的發動機，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。在火箭結構方面也是使用從“H-II”和“M-V”繼承的技術，在減輕火箭重量方面進行了改進[2]。

圖1 運用“M-V”發動機技術的“Epsilon” 系列火箭上面級發動機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。可將1.2 t有效載荷送入幾百千米的軌道。據NASA報道[3]，“Epsilon-1”在2013年首飛之后進行了升級，并在2016年12月再次成功發射，在繼承自動化檢測技術的同時，降低發射成本，每次發射成本約為4 500萬美元，發射頻率也有所提高。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控制。“Epsilon-2”二級使用M-35代替首航M-34c，用固定優化噴管代替可延伸噴管，使得固體火箭發動機尺寸增加，同時可降低成本，另外，M-35可產生445 kN的推力，遠超M-34c產生的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計，推進劑的效率提升許多，降低運載火箭發射成本[4]。

2 塞式發動機的創新應用

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動機——塞式發動機，其將軸對稱塞式噴管、環形燃燒室、常規渦輪泵、渦輪機驅動氣體注入到噴管基座的排氣系統以及燃燒分離周期結合起來，構造一種全新的發動機[5]。該新型發動機是傳統發動機長度的1/4，使用塞式噴管能夠適應高度的變化，在高低空都具有出色的性能，相比于常規火箭發動機具有很大優勢。盡管塞式噴管在空氣動力推進領域并不新鮮，但是在火箭推進領域還是首次應用。將其引入運載火箭領域旨在簡化運載火箭的結構，從而達到高可靠性和降低成本的目的。現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臺發動機并聯構成氣動塞式(Aerospike)噴管，噴管以傳統鐘型噴管切成兩半為基礎，而后拉伸形成具有半噴管的環，構成噴管的整體結構。當火箭發射時，氣壓使熱氣體保持在類似鐘型噴管壁的一側。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生改變，從而保證發動機的效率，氣動塞式噴管解決了傳統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動機，“Haas 2CA”采用的線性塞式發動機(如圖2)是目前正在開發的最先進軌道發射器火箭發動機。

由于其能夠自動適應高空壓降，在幾乎所有飛行水平下均能達到最佳性能，因此比其他火箭發動機使用燃料少30%。該發動機旨在保證低成本的基礎下實現高性能。通過16個節流燃燒室來實現推力矢量控制，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，并且成本預估只有100萬美元。成功的關鍵在于線性塞式發動機，飛行器在飛行中自身進行調整，從低空引擎轉換為高空引擎。要想實現單級入軌，必然要使用一種可以在各個高度都保持高效率的發動機，塞式發動機正適應這種需求。

由于漢江流域水資源開發利用任務重，涉及防洪、供水、發電、航運、生態各方用水權益和各部門利益，為完善流域管理和區域管理相結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席會議制度，建立跨區域、跨部門、跨行業的協作體制和信息共享機制，協商協調解決漢江流域水資源管理與保護的重大事宜。

圖2 兩種塞式發動機Fig.2 Two kinds of aerospike engines

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

3 超燃沖壓與組合循環發動機

上世紀50年代，各國已著手開展對超燃沖壓發動機的研究，最初的應用目標在于實現單級入軌的飛行器、遠程高速飛機和遠程高超聲速導彈[7]。與傳統發動機相比，超燃沖壓發動機具有結構簡單、重量輕、機動性好、比沖高等特點。傳統的吸氣式發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射總重量的50%以上。超燃沖壓發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動機構型，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，產生高溫燃氣，經噴管膨脹后產生推力[8]。

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

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

“SPARTAN”的選擇很明顯，因為超燃沖壓發動機工作時需要首先達到一定的初速度，所以現階段超燃沖壓發動機還不能夠單獨運用到運載火箭發射中。因此，在航天方面超燃沖壓發動機多是組合使用，像火箭基組合循環(RBCC)以及渦輪基組合循環發動機(TBCC)。其中渦輪基組合循環發動機適用于馬赫數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。火箭基組合循環發動機以火箭/雙模態沖壓組合發動機為代表，已開始進入應用研究的飛行試驗階段。RBCC是對火箭發動機、亞燃沖壓發動機和超燃沖壓發動機的整合。工作模態分為：引射、亞燃沖壓、超燃沖壓和純火箭模態[9]。將火箭發動機高推重比、低比沖的特點和吸氣式發動機低推重比、高比沖的特點結合起來，揚長避短，進而達到高效和經濟的特性。

早在2000年，Aerojet公司就成功完成對Strutjet基于火箭組合循環發動機的試驗。在飛行過程中，Strutjet發動機首先是引射模態，加速到3 Ma后，進入沖壓模態，達到8 Ma后，轉為純火箭模態，在大氣層外繼續加速。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，相應的運載能力提高，成本降低。NASA的ISTAR發動機基于Strutjet發動機，于2015年開發出全尺寸實用發動機[10]。

推進劑質量的減少以及不局限于只能在大氣內飛行等特點，RBCC必將在未來運載器的市場中占據一席之地。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 發動機3D打印技術

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打印技術打印火箭發動機，并成功采用陸基發射方式發射成功。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星市場，提供低成本、輕便的發射服務[6]。

“電子”號是一種小型火箭，使用碳復合材料作為主體，用于向國際空間站發射有效載荷。發射成本約490萬美元，“電子”號小火箭中最具代表的是其革命性的發動機設計。其一級采用9個小型液體推進發動機，二級使用1個相同發動機，該發動機以新西蘭科學家歐內斯特·盧瑟福(Emest Rutherfod)命名，單個“盧瑟福”發動機在真空中能夠產生22 kN最大推力，用獨特的電動泵壓式的發動機取代了傳統渦輪泵增壓發動機，在降低總體重量的同時提高了發動機的效率。對于“電子”號火箭來說，每級的單個發動機可產生超過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。二級的發動機經過真空優化可產生最大11.2 kN的推力。

這款發動機采用3D打印技術方式，主要部件包括閥門、噴注器、泵以及發動機腔室全部都是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，電機驅動泵為推進劑增壓。每個發動機的泵由直流電動機驅動，驅動泵電動機由鋰聚合物電池組供電。獨特的電驅動設計取代了傳統燃氣發生器發動機中使用的渦輪組件，節省了推進劑的消耗，提高了發動機的效率。

在發動機啟動時，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，先經過身部冷卻通道換熱，如圖4所示。基于3D打印技術以及電驅動的方式，“盧瑟福”發動機效率可以達到95%，符合未來航天低成本高可靠性、快速響應的發展方向。

圖4 “盧瑟福”發動機及工作機理Fig.4 “Rutherford” engine and its working principle

3D打印技術在航天發動機制造領域的應用，不僅局限于小型運載火箭，除“電子”號小型運載火箭的“盧瑟福”發動機外，在大型運載火箭發動機制造中也得到充分運用。在2014年，Aerojet Rocketdyne宣布，使用3D打印技術直接制造出一臺完整“迷你型Banton”液氧/煤油發動機并成功通過測試。AR1火箭發動機主噴注器完全使用3D打印技術制造，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打印技術制造SuperDraco火箭發動機推力室，此發動機十分復雜，運用傳統制造技術很難加工，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鍵。2018年1月發射的“獵鷹-9”火箭上也有很多3D打印的零部件。

5 發動機新材料技術

先進復合材料ACM(Advanced Composite Materials)具有優異的性能，在航天發動機方面得到廣泛應用。C/C復合材料屬于高性能、功能復合材料，具有高強度、高模量、高斷裂韌性及隔熱性能良好等優異特性，在2 000 ℃以上的非氧化環境下具有輕質，高強度的特點，因此可以用于運載火箭發動機噴管制造[8]，可大幅度減小噴管的質量，簡化噴管結構，提高系統可靠性。C/C復合材料導熱系數低，選擇其作為火箭發動機喉襯不會像鎢滲銅喉襯一樣易產生Al2O3沉積層，效率高。C/C復合材料與石墨材料相比，性質相似，但是抗熱震能力強，在工作時間較短的中小型發動機上可以采用石墨材料，在其他火箭發動機上，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狀結構，不僅可以等效替換傳統金屬件，而且能夠根據復合材料的特點進行靈活的優化，因此已成為航天、航空等高科技領域的重要新型材料[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”的發動機，SRB-A噴管使用3D-C/C復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動機，喉襯采用C/C復合材料。印度的S7HPM，M34發動機喉襯使用石墨材料。

發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，發動機燃燒室殼體材料經歷了4代發展過程，分別為金屬材料、玻璃纖維復合材料、有機芳綸復合材料、高強中模碳纖維復合材料。近年來，用高強度碳纖維編制纏繞增強塑料制成火箭發動機燃燒室殼體受到廣泛重視，C/C復合材料具有強度/質量大的優勢，用之可以較大幅度地改善火箭發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“聯盟號”的補充，火箭一級發動機為P80FW,采用碳纖維增強復合材料纖維纏繞殼體。二、三級發動機為Zefiro 23和Zefiro 9也采用碳纖維纏繞復合材料，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量比要求。我國玻璃纖維/環氧、芳綸/環氧ACM及碳ACM等材料的發動機燃燒室殼體已應用于航天運載器[14]。

6 結束語

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

1)繼承改進原有火箭發動機。充分利用已有資源，對原有技術繼承應用、創新應用，降低研制生產成本。

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

3)發展先進制造技術和先進復合材料。3D打印制造技術的應用針對解決復雜零件生產以及生產周期長的問題有明顯的優勢；開發具有高性能、功能性先進復合材料及其制造工藝，從而提高火箭發動機的性能、可靠性。