航天運載器重復使用液體動力若干問題探討

張蒙正,張 玫

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

航天運載器的重復使用一直是各國追求的目標之一，重復使用的目的在于大幅度降低航天運載器發(fā)射成本，利于大規(guī)模開展航天活動。20世紀50年代以來，各航天大國在重復使用運載器及其動力系統(tǒng)領域開展了大量研究，提出并研究了多種單級入軌和兩級入軌飛行器概念，航天飛機和SSME發(fā)動機實現(xiàn)了部分重復使用，“獵鷹-9”運載火箭一級Merlin 1D發(fā)動機成功完成了垂直回收[1]。蘇聯(lián)-俄羅斯也進行了能源-暴風雪號、MAKS等重復使用運載器、貝加爾重復使用助推器研制。歐洲、日本也進行了相關研究，重復使用的云霄塔及其佩刀發(fā)動機實現(xiàn)了部分關鍵技術(shù)突破[2-3]。我國一直在密切跟蹤國外技術(shù)進展，開展了液氧/煤油發(fā)動機、液氧/液氫發(fā)動機、液氧/甲烷發(fā)動機重復使用關鍵技術(shù)攻關，開展了RBCC[4]，TBCC[5]，(PATR)[6]及TRRE[7]等吸氣式組合循環(huán)發(fā)動機研究，取得了一些成果。

本文簡要回顧了國內(nèi)外重復使用航天運載器液體動力技術(shù)發(fā)展情況，就液體動力系統(tǒng)重復使用的一些問題進行了探討，供相關人員參考。

1 動力系統(tǒng)重復使用的發(fā)展歷程及啟示

運載器及其動力系統(tǒng)的重復使用涉及到航天事業(yè)的持續(xù)大規(guī)模發(fā)展，備受各航天大國關注。20世紀50年代，美國開始了重復使用運輸系統(tǒng)的研究工作，基于單級入軌重復使用運載器的要求，研發(fā)了液氫/液氧、燃氣發(fā)生器循環(huán)及氣動塞式噴管的XRS-2200發(fā)動機[8]。在航天飛機研制中，SSME[9]發(fā)動機就按飛行次數(shù)55次進行設計，盡管實際工作中沒有達到這一目標，重復使用時的檢測和維護工作又很多，但畢竟是實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機的重復使用，技術(shù)上取得了很大進步。2001年前后，為改進航天飛機，美國又提出RS-84，RS-76及TR-107液氧/煤油發(fā)動機(圖1)，RS-83和COBRA液氧/液氫等多個重復使用發(fā)動機方案(圖2)，這些發(fā)動機重復使用設計次數(shù)達到100次。2011年9月，SpaceX公司宣布研發(fā)重復使用的發(fā)射系統(tǒng)，開啟了運載火箭重復使用的先河，2015年12月實現(xiàn)了“獵鷹-9”火箭垂直起飛和一級的垂直回收。“獵鷹-9”的主動力為Merlin 1D發(fā)動機，液氧/煤油推進劑，海平面推力620 kN，可二次起動，推力調(diào)節(jié)范圍70%～100% 。2014年，藍源公司提出了液氧/甲烷、海平面推力2 446 kN的BE-4發(fā)動機，用于未來的重復使用(圖3)。20世紀70～80年代，前蘇聯(lián)在研制RD-170[10]液氧/煤油發(fā)動機和RD-0120[11]液氧/液氫發(fā)動機時，就按重復使用考慮，組件設計使用壽命不小于50次，整機重復使用15次。但用此發(fā)動機的能源號火箭僅飛行兩次，發(fā)動機并未實現(xiàn)重復使用。20世紀90年代能源機械聯(lián)合體以RD-170發(fā)動機為基礎，研制重復使用的三組元發(fā)動機RD-701。最初計劃用于前MAKS空間飛機，計劃重復使用15次。2004年開始，歐洲開展了VEDA液氫/液氧發(fā)動機研究，用于新一代兩級完全重復使用運載器，發(fā)動機設計使用次數(shù)為25次。同時期，歐洲提出多種重復使用液氧/甲烷發(fā)動機，包括VOLGA[12]，Ular及ACE-42R[13]等。20世紀90年代，日本以HOPE-X為目標，利用LE-5和LE-7液氧/液氫發(fā)動機進行了重復使用技術(shù)研究。

圖1 可重復使用液氧/煤油發(fā)動機Fig.1 Reusable LOX/kerosene rocket engine

圖2 可重復使用液氧/液氫發(fā)動機Fig.2 Reusable LOX/hydrogen rocket engine

圖3 可重復使用液氧/甲烷發(fā)動機Fig.3 Reusable LOX/LCH4 engine

組合循環(huán)發(fā)動機始終是重復使用運載器動力的重要發(fā)展方向之一。美國、蘇聯(lián)、歐洲和日本等都一直在探索發(fā)展路線和技術(shù)途徑，進行了大量研究，提出多種技術(shù)方案。1999年，NASA提出綜合航天運輸計劃(Integrated Space Transportation Plan，ISTP)，其中設想的第三代重復使用運載器Spaceliner 100計劃考慮優(yōu)先發(fā)展火箭發(fā)動機基組合循環(huán)(RBCC)。2002年，航天發(fā)射倡議(Space Launch Initiative，SLI)在其下一代發(fā)射技術(shù)(NGLT)計劃中規(guī)劃了火箭沖壓組合循環(huán)和渦輪組合循環(huán)動力系統(tǒng)研究。美國空軍的組合循環(huán)發(fā)動機組件計劃(Combined Cycle Engine Components,CCEC)，對RBCC和TBCC用于兩級入軌飛行器進行了多方案分析評估，包括用RBCC+Rocket、垂直起飛/水平降落的兩級入軌軍用空天飛機(Sentinel)和采用TBCC+Rocket、水平起飛/水平降落的兩級入軌空天飛機(Quicksat)[14](圖4)。之后的完全重復使用進入太空技術(shù)(Fully Reusable Access to Space Technologies，F(xiàn)AST)計劃分別對以Turbo、Rocket、TBCC、RBCC為動力裝置的兩級入軌(TSTO)飛行器在體積和空載質(zhì)量等方面進行分析和論證。2008年，美國國防部發(fā)布的高超聲速飛行器發(fā)展路線圖明確提出了以重復使用渦噴發(fā)動機或TBCC發(fā)動機為第一級動力、重復使用RBCC發(fā)動機為第二級動力的TSTO飛行器發(fā)展計劃，使美國空間進入能力由一次性垂直“按計劃發(fā)射”轉(zhuǎn)換到像飛機一樣的“按要求發(fā)射”，空軍委托Astrox公司對多種二級入軌(TSTO)飛行器的構(gòu)型進行比較[15](圖5)。2010年5月，美國空軍發(fā)布《技術(shù)地平線—2010至2030年空軍科技發(fā)展愿景》(Technology Horizons-A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030 )，該計劃提出發(fā)展一級采用重復使用火箭，二級采用火箭基組合循環(huán)發(fā)動機的高超聲速空間飛行器作為TSTO飛行器[16]。2012年，NASA技術(shù)路線圖指導委員會、航空航天工程局及美國科學院完成的《NASA空間技術(shù)路線圖和優(yōu)先級：恢復NASA技術(shù)優(yōu)勢并為空間新紀元鋪平道路》又將TBCC和RBCC作為美國未來重復使用運載器優(yōu)先發(fā)展的動力系統(tǒng)。20世紀90年代，日本宇航局(JAXA)開展重復使用單級入軌飛行器研究，主要開發(fā)RBCC推進系統(tǒng)研究。2005年制定的未來20年航天長期發(fā)展戰(zhàn)略，還將RBCC列為重復使用入軌飛行器的重要研究方向，并開展了試驗研究工作。歐洲航天局(ESA)在20世紀90年代推出的未來空間運輸研究計劃(FESTIP)的推進計劃安排了RBCC系統(tǒng)研究。2005年，航天局制定的長期先進推進概念和技術(shù)研究計劃(LAPCAT)也規(guī)劃進行RBCC關鍵技術(shù)和飛行器研究[17]。英國反作用發(fā)動機公司提出的佩刀(SABRE)發(fā)動機的目標就是發(fā)展重復使用的單級入軌運載器(SKLON)，目前已突破空氣預冷器等部分關鍵技術(shù)。

圖4 CCEC計劃中的Sentinel和Quicksat飛行器Fig.4 Sentinel and Quicksat flight vehicles of CCEC plan

航天運載器重復使用在半個多世紀的發(fā)展歷程非常曲折，有許多經(jīng)驗和教訓，可以從中得到一些啟示：

1)運載器的重復使用始終是航天事業(yè)發(fā)展方向之一，動力系統(tǒng)的重復使用始終是運載器重復使用的關鍵和首先需要解決的問題。

2) 與航空發(fā)動機、車及艦船發(fā)動機等其他動力相比，盡管已有航天飛機SSME等成功案例，但總體來說，液體火箭發(fā)動機的重復使用發(fā)展緩慢，這里固然有大部分的、民用性質(zhì)的航天運載器及動力是從戰(zhàn)略武器轉(zhuǎn)換而來造成的先天性問題、需求的迫切性問題、液體火箭發(fā)動機設計理念、主要用途及工作環(huán)境所限等客觀原因，但其中的主觀原因也是值得深思的。

圖5 不同動力形式的兩級入軌飛行器對比Fig.5 Comparison of TSTO vehicles

3)組合循環(huán)發(fā)動機研發(fā)的初衷是重復使用航天運載器動力系統(tǒng)，半個世紀以來，世界各國論證了多種方案，不斷進步和完善，目前仍處于方案研究和關鍵技術(shù)攻關階段。

2 液體火箭發(fā)動機重復使用問題探討

液體火箭發(fā)動機是航天運載器的重要組成部分，重復使用對其在性能、可靠性、安全性、壽命、維修性及成本等方面提出的高要求，使發(fā)動機與一次性使用的液體火箭發(fā)動機產(chǎn)生了重大變化，重復使用液體火箭發(fā)動機的研發(fā)需與運載器共同關注以下幾方面。

2.1 運載器起飛與著陸方式的影響

目前，已經(jīng)提出的重復使用航天運載器發(fā)射與回收方式包括：垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落、水平起飛/水平降落。上述方式對液體火箭發(fā)動機帶來了一些是否適應或者能否發(fā)揮優(yōu)勢的問題。從液體火箭發(fā)動機的特性分析，垂直起飛有利于運載器貯箱推進劑的管理、有利于發(fā)動機燃燒室的起動與工作、有利于運載器盡快脫離大氣層(縮短發(fā)動機工作時間)，無疑是其發(fā)揮優(yōu)勢的最佳工作方式，以往的火箭都是以這種方式發(fā)射的；而水平起飛會造成液體火箭發(fā)動機優(yōu)勢盡失，無疑是最不利于其發(fā)揮優(yōu)勢的發(fā)射方式。

液體火箭發(fā)動機為動力的運載器，如采用垂直降落回收方式，必須要求發(fā)動機具有較大范圍連續(xù)變推力的能力，以利于運載器在下降段提供反推力，減緩下降速度，減輕著陸時的沖擊力和適應下降時軌道偏差調(diào)整需求，這勢必要求運載器攜帶更多推進劑，造成起飛階段對發(fā)動機更大推力的需求；為保證平穩(wěn)著陸，運載器需增加著陸支架等裝置，液體火箭發(fā)動機噴管等薄壁件也需增加保護措施，這無疑又增加了起飛段對發(fā)動機的推力需求。水平降落借助了運載器的氣動升力，但也需要發(fā)動機有較大范圍的變推力能力，否則，就造成落場時較大時間段的無動力滑翔，增加了對陸場地理位置和技術(shù)的要求。相比較而言，垂直起飛/水平降落對液體火箭發(fā)動機是有利的。從各國成功案例來看，SSME借助航天飛機外形氣動力無動力著陸是成功的，當然這需要良好的著陸條件支持，需要國家地理環(huán)境支撐。Merlin-1D和“獵鷹-9”實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機的垂直起飛和垂直著陸，也是成功的案例，這得益于Merlin-1D發(fā)動機出色的性能和“獵鷹-9”一級動力9臺發(fā)動機的布局方式。

2.2 從整個運載器運營成本考慮發(fā)動機的重復使用問題

液體火箭發(fā)動機重復使用的根本目的是降低運載器的成本。從本質(zhì)上分析，發(fā)動機的重復使用僅僅是降低了產(chǎn)品的購買成本(或者說生產(chǎn)成本)，卻增加了設計成本(產(chǎn)品的設計更為復雜，設計周期更長)，加大了研制成本(需要的部件更多，研制與試驗費用更大)，帶來了回收成本和維護成本(需要回收、運輸、清洗、檢查乃至再裝機)。這里，需要仔細分析液體火箭發(fā)動機的回收成本，也必須考慮其維護成本。航天飛機和SSME發(fā)動機在重復使用技術(shù)上無疑是成功的，但后期的維護成本造成運營成本的居高不下，影響了航天飛機全壽命周期成本，致使其發(fā)射費用高昂，并沒有實現(xiàn)重復使用的目標。由于垂直著陸方式造成的運載器結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加(需要攜帶回收裝置，需要發(fā)動機有更大推力、減小了有效載荷)所引發(fā)的成本，海上回收方式產(chǎn)生的移動著陸平臺的研制、使用與維護成本，垂直起飛與垂直回收未必是一種對各國、各種發(fā)動機都通行的方式。這里不是否認“獵鷹”火箭一級Merlin 1D成功回收帶來的技術(shù)進步和重復使用意義，而是需要針對具體問題具體分析。

2.3 液體火箭發(fā)動機設計理念的革新

液體火箭發(fā)動機最初用于導彈武器，追求的是高性能和可靠性。用于航天運載器之后，依然是性能和可靠性優(yōu)先。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，運載的成本問題日益重要，重復使用成為需要解決的問題。就液體火箭發(fā)動機的重復使用而言，設計理念的轉(zhuǎn)化或者革新無疑是最重要的。

1)推進劑無疑是影響液體火箭發(fā)動機重復使用能力的重要因素。推進劑特性主要影響材料選擇及壽命(尤其是密封材料)、發(fā)動機的維護性、人員的安全性等一系列問題，這些最終都轉(zhuǎn)化為運載器發(fā)射與回收的成本。

2)重復使用對發(fā)動機的材料，尤其是燃氣發(fā)生器、燃燒室等熱力部件材料的選用或者使用程度提出了新要求，需要考慮更低成本的材料或者給材料留出更大的安全余量；對與高轉(zhuǎn)速件接觸式的密封件(如石墨材料)、與低溫介質(zhì)接觸的密封件等設計均有改進之處。

3)液體火箭發(fā)動機的性能提升與燃燒室壓力的大幅度增加有很大關系，高室壓帶來了更困難的燃燒室熱防護問題；液體火箭發(fā)動機的迅速起動要求，產(chǎn)生了燃燒室工作中經(jīng)常出現(xiàn)的溫度峰，轉(zhuǎn)級過程出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速峰和關機水擊等問題。解決這些問題需要更好的材料、隔熱技術(shù)，精細的再生冷卻結(jié)構(gòu)等等，這些和上述的材料一樣都要付出成本代價。

4)無論水平與垂直降落，都要求發(fā)動機要有更大范圍的變推力能力，這些都會引起發(fā)動機控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒組織方式革新性的變化，也隱含著成本。

5)設計之初，就需要考慮發(fā)動機的健康監(jiān)測問題，當然這是非常困難的，每臺發(fā)動機的健康都是不一樣的，需要大量的研究工作積累。

2.4 加快圍繞重復使用液體火箭發(fā)動機的研制步伐

與航空發(fā)動機一樣，液體火箭發(fā)動機實現(xiàn)重復使用無疑將大大減少運載器的運輸成本。液體火箭發(fā)動機的重復使用尚需開展大量的研究工作。

1)就推進劑而言，煤油燃料在成本、使用的方便性等方面無疑是最優(yōu)的，需要考慮的是如何解決發(fā)動機的清洗，尤其是冷卻槽道的清洗問題；

2)推力室和燃氣發(fā)生器部件是重復使用的最大著眼點，需要考慮室壓、性能、成本之間的均衡，不能一味地追求高室壓和高性能；

3)推進劑供應與控制方式需要革新，渦輪泵及調(diào)節(jié)器的工作范圍需要更大范圍的拓展，以適應大范圍精確調(diào)節(jié)推進劑供應問題；相應的燃燒組織燃燒方式也應革新；

4)發(fā)動機健康診斷是與具體發(fā)動機相聯(lián)系的，在此角度，重復使用發(fā)動機不能是完全新型的發(fā)動機，應是現(xiàn)有發(fā)動機的改進設計或者同類發(fā)動機基礎上的重新設計或者改制，否則健康問題(壽命預估)將無從談起，健康診斷系統(tǒng)研制失去了基礎。

3 組合循環(huán)發(fā)動機研發(fā)問題探討

組合循環(huán)發(fā)動機是將兩種或者兩種以上類型發(fā)動機通過結(jié)構(gòu)或者部件共用，熱力循環(huán)或者工作過程的有機結(jié)合，從而達到不同發(fā)動機功能互補，各自在適合的工作區(qū)域內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢，進而使飛行器具有寬速域、大空域、強機動、使用靈活等優(yōu)點。組合循環(huán)發(fā)動機研制的初衷就是為了解決火箭發(fā)動機、航空發(fā)動機及沖壓發(fā)動機難以獨立適應航天運輸?shù)膯栴}。

3.1 與運載器工作邊界尚待優(yōu)化

經(jīng)過多年的論證與探索，兩級入軌運載器已成為今后一個時期內(nèi)重復使用運載器現(xiàn)實可行的途徑，而水平起飛、水平著陸的一級飛行器是重要發(fā)展方向。這里，吸氣式組合動力是關鍵。對于吸氣式發(fā)動機，30 km左右基本上是其能夠有效工作的上限，此處的大氣密度僅為地面的1.3%，靜壓的1.1%。兩級入軌運載器對一級的分離速度要求是在此處最好能達到Ma=7～8，這對一級發(fā)動機帶來了巨大的問題。航天運載器載荷一般都非常大，幾十噸重的載荷加上運載器自身質(zhì)量，需要一級動力系統(tǒng)有很大的升力和推力。對吸氣式發(fā)動機需要很大的進氣面積，而此時燃燒室壓力又處于低壓力水平，以目前的研究結(jié)果，1 m2捕獲面積的超燃沖壓發(fā)動機能產(chǎn)生的推力小于50 kN(25 km，Ma=6.0)，僅僅依靠超燃發(fā)動機能否產(chǎn)生足夠有效的推力值得深入研究。Ma>7會對運載器和動力系統(tǒng)的熱防護帶來巨大問題。作為一級運載器吸氣式組合動力系統(tǒng)的實際工作上限尚待深入分析和驗證。

3.2 方案驗證與優(yōu)化

目前在論證和在探討的組合動力裝置有渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(TBCC)、火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(RBCC)、三組合發(fā)動機(如TRIJET[18]、TRRE)、預冷空氣類發(fā)動機(SABRE、PATR)等不同方案。總的來看，每種方案都有其可取之處，但也存在明顯不足，尚難完全適應航天運載器對動力系統(tǒng)的需求。如TBCC因渦輪難以適應高馬赫數(shù)飛行，無論串并聯(lián)均存在的“死重”、Ma=2～4之間的“推力鴻溝”及高馬赫數(shù)推力不足等問題，使其很難適應一級運載器的需求。RBCC發(fā)動機在高馬赫數(shù)段可預見其性能及其用途，但在低馬赫數(shù)段(Ma﹤2.0)因低壓與燃燒組織帶來的推力不足問題使其在實際飛行器上難以水平起飛，垂直起飛也難產(chǎn)生足夠推力，且存在與大型液體火箭結(jié)構(gòu)適應性問題。三組合發(fā)動機普遍存在進排氣的大范圍調(diào)節(jié)、發(fā)動機多模態(tài)的平穩(wěn)過渡、控制系統(tǒng)復雜及“死重”過大等問題，用于一級運載器是否能達到理想的推力及推質(zhì)比要求尚難回答。預冷空氣類發(fā)動機一般均用氫作燃料，氫的低溫和低密度使得這類發(fā)動機在感覺上總不如碳氫燃料有前途。這些發(fā)動機或多或少均有沖壓發(fā)動機工作模態(tài)，熱力循環(huán)和結(jié)構(gòu)上尚沒有實現(xiàn)融合，且所有的方案尚無一種得到系統(tǒng)驗證。液體火箭發(fā)動機的重復使用是尚待研究的問題，沖壓發(fā)動機的重復使用尚未開展實質(zhì)性工作，組合方案尚需不斷完善，還期待出現(xiàn)新的方案。

3.3 在方案論證、設計和關鍵技術(shù)研發(fā)中引入重復使用理念

無論目前存在多少不足和問題，組合動力系統(tǒng)終將是兩級入軌運載器的一級動力裝置的選項，最終只是哪種方案的問題。航天運載器對組合動力系統(tǒng)在壽命、可靠性、性能、安全性、使用維修性及成本等方面有很高的要求，且需要能快速檢測與維護，如今天的航空發(fā)動機一般。目前，組合發(fā)動機尚處于方案論證和關鍵技術(shù)攻關階段，這兩者是相輔相成的，方案牽引出相關的關鍵技術(shù)，而關鍵技術(shù)在支撐著方案的可行性。無論哪種組合動力，其基礎都源于目前的航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機及沖壓發(fā)動機技術(shù)。因此，就技術(shù)而言，組合發(fā)動機和今天的航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機及沖壓發(fā)動機是繼承與發(fā)揚的關系，當然包括重復使用技術(shù)，這就使得組合發(fā)動機研發(fā)考慮重復使用問題時，技術(shù)上不是“空中樓閣”“無從下手”。目前發(fā)動機重復使用技術(shù)，尤其是航空發(fā)動機非常成熟的重復使用設計理念和思想，火箭發(fā)動機、沖壓發(fā)動機系統(tǒng)與部件的設計與實驗方法的重復使用技術(shù)均可借鑒。關鍵在于，方案論證、設計與關鍵技術(shù)研發(fā)之初，就需要引入“重復使用”或者“成本”的理念。

4 結(jié)束語

1)重復使用的目的在于降低航天運輸成本，動力系統(tǒng)的重復使用是關鍵部分，也是首先要解決的問題。

2)火箭發(fā)動機的重復使用應從設計理念入手，在設計方法、材料選型、材料能力的發(fā)揮、生產(chǎn)工藝、維修等方面綜合考慮成本，達到重復使用的要求。

3)基于組合循環(huán)動力的水平起降飛行器是降低運輸成本的重要途徑，也是重復使用運載器發(fā)展的重要方向，在方案論證、設計和關鍵技術(shù)研發(fā)中需引入重復使用理念。