烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)進(jìn)展與展望未來(lái)的探析論文
烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)進(jìn)展與展望未來(lái)的探析論文
推進(jìn)劑又稱(chēng)推進(jìn)藥，有規(guī)律地燃燒釋放出能量，產(chǎn)生氣體，推送火箭和導(dǎo)彈的火藥。一些火箭設(shè)計(jì)的推進(jìn)劑來(lái)自非化學(xué)能源或甚至是來(lái)自外部的能源。例如水火箭使用壓縮氣體，一般是空氣，迫使水從火箭噴出。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)進(jìn)展與展望未來(lái)的探析相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)進(jìn)展與展望未來(lái)的探析全文如下：
【摘要】：為研究烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)在中國(guó)的后續(xù)發(fā)展和未來(lái)應(yīng)用方向,對(duì)比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烴類(lèi)推進(jìn)劑的物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用特性,簡(jiǎn)要介紹烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力在一次性運(yùn)載火箭、可重復(fù)使用運(yùn)載器、高性能上面級(jí)推進(jìn)、無(wú)毒空間推進(jìn)和吸氣式推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用狀況。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外航天動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用情況表明,以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力將引領(lǐng)未來(lái)高性能低成本航天推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),依照中國(guó)液氧/烴火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)展和技術(shù)水平,以其為核心的新型動(dòng)力體系在中國(guó)未來(lái)的天地往返、載人登月和深空探測(cè)等多任務(wù)適應(yīng)性方面具有良好應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】： 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 航天推進(jìn) 液氧煤油 烴類(lèi) 推進(jìn)劑
引言
2011年12月發(fā)布的《2011年中國(guó)的航天》白皮書(shū)明確指出，中國(guó)將加強(qiáng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)，發(fā)展新一代運(yùn)載火箭和運(yùn)載火箭上面級(jí)，開(kāi)展重型運(yùn)載火箭專(zhuān)項(xiàng)論證和關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究，從而不斷提升進(jìn)入空間的能力。2012 - 2016年，中國(guó)航天將實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)征五號(hào)”、“長(zhǎng)征六號(hào)”和“長(zhǎng)征七號(hào)”運(yùn)載火箭首飛，其中液氧/烴火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)新一代無(wú)毒、無(wú)污染運(yùn)載火箭的芯級(jí)、助推級(jí)和上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。此外，大推力液氧/烴火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也是我國(guó)未來(lái)載人登月、深空探測(cè)用重型運(yùn)載火箭的核心動(dòng)力之一，以液氧/烴火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力的航天推進(jìn)體系己初現(xiàn)曙光。
目前，煤油等烴類(lèi)燃料廣泛應(yīng)用于渦扇、渦噴、渦軸和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等航空領(lǐng)域。與此同時(shí)，高性能、低成本、無(wú)毒和安全可靠的特點(diǎn)也使烴類(lèi)推進(jìn)劑在航天推進(jìn)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，如美國(guó)的宇宙神-5 ( Atlas-J)、德?tīng)査?2 ( Delta-2)、獵鷹- 9 ( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)(Soyuz)、安加拉(Angara)系列運(yùn)載火箭的芯級(jí)和助推級(jí)動(dòng)力都采用了液氧/烴推進(jìn)劑組合。
為理清烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)在中國(guó)的后續(xù)發(fā)展和未來(lái)應(yīng)用方向，本文分析了典型烴類(lèi)推進(jìn)劑的物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用特性，回顧了烴類(lèi)航天動(dòng)力在一次性運(yùn)載火箭、可重復(fù)使用運(yùn)載器、上面級(jí)、空間推進(jìn)和吸氣式推進(jìn)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)以液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的烴類(lèi)航天動(dòng)力在中國(guó)的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了展望。
1典型烴類(lèi)推進(jìn)劑的特性
推進(jìn)劑特性是決定發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)載器性能的關(guān)鍵因素之一。推進(jìn)劑組合(尤其是燃料)的選擇不僅要權(quán)衡推進(jìn)劑性能、經(jīng)濟(jì)因素、物理化學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)火及燃燒特性等與發(fā)動(dòng)機(jī)自身相關(guān)因素，還需要綜合考慮推進(jìn)劑對(duì)運(yùn)載器有效載荷、結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及使用維護(hù)費(fèi)用的影響。
液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的烴類(lèi)燃料主要有乙醇(酒精)、丙烷、煤油和甲烷等，典型烴類(lèi)燃料的物理化學(xué)性質(zhì)，液氧/烴推進(jìn)劑組合的理論真空比沖 (為便于對(duì)比，同時(shí)給出了液氫的物理化學(xué)性質(zhì)和理論比沖)。與液氫相比，烴類(lèi)燃料的缺點(diǎn)是比沖和再生冷卻能力相對(duì)較低，并且容易積碳和結(jié)焦。另一方面，液氧/烴推進(jìn)劑組合具有來(lái)源廣泛、成本低廉、組合密度高、比沖性能高、無(wú)毒環(huán)保和耐儲(chǔ)存性好等諸多優(yōu)勢(shì)。
乙醇易揮發(fā)，易與空氣形成爆炸性混合物，使用安全性較差。液氧/乙醇組合在比沖和密度上都不具有明顯優(yōu)勢(shì)，在主火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的研究自20世紀(jì)60年代就己停止。
液氧/過(guò)冷丙烷在20世紀(jì)90年代曾一度被認(rèn)為是一種很有前途的液氧/烴推進(jìn)劑組合，但丙烷密度高于空氣，爆炸容積百分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，作為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料大規(guī)模應(yīng)用存在較大危險(xiǎn)，且沒(méi)有明顯的性能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前多應(yīng)用于小型航天器的微推進(jìn)系統(tǒng)中。
火箭煤油是一種典型的包含有不同烴類(lèi)成分的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，密度高且使用安全性最好，但再生冷卻能力相對(duì)較低，其結(jié)焦極限溫度最低，在富燃燃燒時(shí)也存在積碳問(wèn)題。鑒于此，蘇聯(lián)和中國(guó)在液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用極低含硫量的煤油、冷卻通道內(nèi)人為設(shè)置粗糙度、控制推進(jìn)劑初始溫度、燃燒室設(shè)置內(nèi)冷卻環(huán)帶并在內(nèi)壁噴涂高溫隔熱涂層，從而突破了由煤油冷卻性能和結(jié)焦所帶來(lái)的燃燒室壓力限制，采用富氧預(yù)燃室避開(kāi)了積碳問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高壓富氧補(bǔ)燃循環(huán)模式，將高比沖和高組合密度的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步突顯了出來(lái)。
采用高能合成煤油(Syntin煤油)是提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效措施。Syntin煤油的化學(xué)分子式為C1016，具有張力環(huán)結(jié)構(gòu)和四種同分異構(gòu)體。與火箭煤油相比，Syntin煤油的冰點(diǎn)較低，滿足空間低溫工作要求;相同條件下的動(dòng)力黏度小，流動(dòng)性能更優(yōu);相同溫度下的密度和飽和蒸汽壓稍高;傳熱性能與火箭煤油相當(dāng)，安全性可控;材料相容性好，存儲(chǔ)性能穩(wěn)定，但張力環(huán)結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性限制其作為冷卻劑時(shí)溫度必須低于394℃。
在同等的約束和設(shè)計(jì)條件下，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的理論真空比沖比液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)低約100 m/s，但密度比沖卻高出16.4%，維護(hù)使用也更方便。此外，液氧/Syntin煤油的理論真空比沖比液氧/火箭煤油相應(yīng)值高出80~150 m/s，典型的如RD 58S火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖高達(dá)3541 m/s，液氧/高能合成煤油應(yīng)用于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>
由于高壓富氧補(bǔ)燃循環(huán)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)模式均適用于液氧/煤油推進(jìn)劑，故液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可以作為一次性運(yùn)載火箭和可重復(fù)使用運(yùn)載器的芯級(jí)、助推器以及無(wú)毒上面級(jí)的主動(dòng)力。迄今為止，蘇聯(lián)/俄羅斯和美國(guó)己成功研制了多種具有重要?dú)v史意義的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，典型的有土星-5運(yùn)載火箭的F-1燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、N-1運(yùn)載火箭的NK - 33補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以及天頂/能源號(hào)火箭的RD-170補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中地面推力7295 kN的RD-170高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在一定程度上成為液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的標(biāo)桿。
液氧/液態(tài)甲烷(或液化天然氣)推進(jìn)劑組合是近三十年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。甲烷是單碳原子的低密度碳?xì)浠衔?，兼具氫和煤油的部分?yōu)點(diǎn)。液態(tài)甲烷屬于低溫推進(jìn)劑，優(yōu)點(diǎn)是比熱高、豁度小、結(jié)焦極限溫度高，基本無(wú)結(jié)焦和積碳問(wèn)題，是目前僅次于液氫的再生冷卻劑或膨脹循環(huán)冷卻劑。液態(tài)甲烷的缺點(diǎn)在于密度較小、飽和蒸汽壓高，致使密度比沖偏小且燃料泵的抗汽蝕性能不易保證。液態(tài)甲烷經(jīng)過(guò)再生冷卻后己接近氣態(tài)，液氧/甲烷組織氣液噴霧燃燒時(shí)燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定性好，燃?xì)獍l(fā)生器效率也以甲烷最高。因此，富燃補(bǔ)燃循環(huán)、膨脹循環(huán)以及燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)模式都將適用于液氧/甲烷推進(jìn)劑組合。
液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的密度比沖偏低，其綜合性能也略低于高性能的補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為芯級(jí)或助推級(jí)毫無(wú)優(yōu)勢(shì)。作為高空發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其性能遠(yuǎn)低于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，因而也不能替代后者，迄今為止還沒(méi)有液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)得到實(shí)際應(yīng)用和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。另一方面，液態(tài)/甲烷組合在烴類(lèi)燃料中比沖最高，重復(fù)使用時(shí)無(wú)需清洗，液氧甲烷可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是比較有發(fā)展和應(yīng)用前景的可重復(fù)使用運(yùn)載器動(dòng)力。由于液氧和液態(tài)甲烷的沸點(diǎn)分別為-183℃和-162℃，均接近空間溫度，便于空間長(zhǎng)期貯存，貯箱間無(wú)需特殊的絕熱結(jié)構(gòu)，故液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)也可作為未來(lái)高性能的無(wú)毒通用型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)或空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。
除上述的乙醇、丙烷、煤油和甲烷之外，高張力四環(huán)庚烷(Quadricyclane，分子式C7H8)也是一種備選烴類(lèi)推進(jìn)劑。四環(huán)庚烷在常溫下的密度為0.982g /cm³，高于火箭煤油和Syntin煤油。但四環(huán)庚烷含有張力環(huán)，且閃點(diǎn)較低，故熱穩(wěn)定性較差，作主動(dòng)冷卻劑時(shí)存在一定的結(jié)焦和積碳，其潛在應(yīng)用是取代偏二甲肼形成毒性相對(duì)較小的四氧化二氮/四環(huán)庚烷自燃推進(jìn)劑組合。
綜上，液氧/烴類(lèi)是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑組合的主力，以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的液氧/烴動(dòng)力有望成為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的主要發(fā)展目標(biāo)。對(duì)于一次性使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于工作時(shí)間短暫，應(yīng)在綜合考慮研制難度、生產(chǎn)成本的前提下追求高比沖性能，富氧補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和富燃補(bǔ)燃循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖高、氣液噴霧燃燒穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)尺寸、渦輪泵功率及推力室冷卻套壓力適中，具有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)，需要多次和長(zhǎng)時(shí)間工作，低室壓的富燃補(bǔ)燃循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)、低室壓的富氧補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以及系統(tǒng)壓力較低的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)則更為適宜。
2烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力的技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、歐洲等國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相開(kāi)發(fā)太空和臨近空間等戰(zhàn)略高地，重新調(diào)整了航天發(fā)展戰(zhàn)略，加大了對(duì)天地往返、深空探測(cè)和臨近空間開(kāi)發(fā)的支持力度，烴類(lèi)推進(jìn)劑航天動(dòng)力及運(yùn)載器將在其中扮演重要角色。
2. 1液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)在一次性運(yùn)載火箭中的應(yīng)用
液氧/煤油推進(jìn)劑組合在俄羅斯和美國(guó)的運(yùn)載火箭的芯級(jí)和助推級(jí)動(dòng)力中得到了廣泛應(yīng)用。
2.1.1俄羅斯
蘇聯(lián)/俄羅斯的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在世界范圍內(nèi)首屈一指，液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在蘇聯(lián)/俄羅斯著名的聯(lián)盟號(hào)、N-1、能源號(hào)和天頂號(hào)運(yùn)載火箭的芯級(jí)、助推器以及質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭上面級(jí)動(dòng)力中是絕對(duì)主力。
蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代研制了RD-107 /108液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其應(yīng)用于聯(lián)盟號(hào)火箭，目前仍然承擔(dān)著為國(guó)際空間站運(yùn)送人和物的發(fā)射任務(wù)。蘇聯(lián)在載人登月競(jìng)賽中研制的N-1火箭的動(dòng)力全部為補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，第一級(jí)為30臺(tái)NK -33發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)為8臺(tái)NK-43發(fā)動(dòng)機(jī)，第三級(jí)為4臺(tái)NK - 39發(fā)動(dòng)機(jī)，附屬于L-3登月系統(tǒng)的第四、第五級(jí)動(dòng)力分別為1臺(tái)NK-31和1臺(tái)RD- 58M發(fā)動(dòng)機(jī)。能源號(hào)重型火箭的助推級(jí)為四臺(tái)RD-170高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，天頂號(hào)運(yùn)載火箭第一級(jí)采用4臺(tái)RD-171發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)。 1995年，俄羅斯開(kāi)始研制安加拉(Angara)系列火箭，第一級(jí)和助推器的核心是單推力室的RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)，部分構(gòu)型的第二級(jí)采用補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)RD-0124 Ao 2009年，俄羅斯曾決定研制新的俄羅斯主要運(yùn)載火箭Rus -M，芯級(jí)和助推器均計(jì)劃采用雙推力室的RD -180液氧煤油補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)渦輪泵供應(yīng)兩臺(tái)推力室，燃燒室最大壓力超過(guò)25.7 MPa，海平面推力3829 kN，推力調(diào)節(jié)范圍47%~100% 0 2013年12月，俄羅斯成功發(fā)射了新的輕型Soyuz-2. 1 V運(yùn)載火箭，第一級(jí)使用單推力室的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用RD -0124發(fā)動(dòng)機(jī)，后續(xù)計(jì)劃由RD-193發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-191改進(jìn))來(lái)接替NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)。
俄羅斯在研發(fā)新型運(yùn)載火箭的同時(shí)，也將液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)出口至其它國(guó)家和地區(qū)。RD-180和NK - 33發(fā)動(dòng)機(jī)出口至美國(guó)，安加拉火箭的通用型火箭模塊(URM)和RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于韓國(guó)羅老號(hào)(Naro)火箭，韓國(guó)也計(jì)劃在KSLV - 2運(yùn)載火箭的第一級(jí)和第二級(jí)采用75噸級(jí)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
2. 1. 2美國(guó)
在載人航天和載人登月競(jìng)賽期間，美國(guó)研發(fā)了諸如H-1,F-1和RS-27等多種燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，為大幅降低航天發(fā)射成本并提高運(yùn)載器的可靠性，美國(guó)提出了多項(xiàng)航天發(fā)展規(guī)劃，部分己取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
1)改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭及其液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
2009~ 2013年美國(guó)航天發(fā)射任務(wù)的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)后續(xù)大型空間載荷將主要由改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭(EELV)計(jì)劃下的宇宙神-5和德?tīng)査?4運(yùn)載火箭負(fù)責(zé)發(fā)射。宇宙神-5的第一級(jí)采用RD一180高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，可靠性高且價(jià)格相對(duì)低廉，商業(yè)發(fā)射領(lǐng)域的訂單更多，己然成為美國(guó)后續(xù)航天發(fā)射的主力。由于RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的地面推力較大，因此未來(lái)的宇宙神-5系列火箭將逐漸演變?yōu)閱渭?jí)構(gòu)型，即以最少的級(jí)數(shù)和級(jí)間分離獲得最高的可靠性。
2)商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃及其液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
目前獲得美國(guó)商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)(CommercialOrbital Transportation Services COTS)計(jì)劃合同是空間探索技術(shù)公司(SpaceX)的獵鷹-9 ( Falcon-9)火箭和軌道科學(xué)公司(Orbital Sciences CorporationOSC)的金牛座-2 ( Taurus-2)/安塔瑞斯(Antares)火箭。
原始的獵鷹-9火箭第一級(jí)采用了9臺(tái)灰背焦-1 C ( Merlin-1C)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用一臺(tái)高空型灰背焦發(fā)動(dòng)機(jī)。SpaceX公司為改進(jìn)型獵鷹-9火箭研制的Merlin-1D發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面和真空推力分別為654 kN和716 kN，海平面和真空比沖分別為2765 m / s和3050 m/s，改寫(xiě)了當(dāng)前燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能的最高水平。安塔瑞斯的第一級(jí)采用2臺(tái)美國(guó)航空噴氣(Aerojet )公司的AJ - 26發(fā)動(dòng)機(jī)，其原型即為NK -33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其真空推重比高達(dá)136. 66 。
3)新型重型火箭論證中的液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)
美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在航天發(fā)射系統(tǒng)( Space Launch System } SLS)重型運(yùn)載火箭方案論證過(guò)程中對(duì)比了固體助推和大推力液氧煤油助推方案的優(yōu)劣，前者有航天飛機(jī)技術(shù)做基礎(chǔ)，后者性能高、易維護(hù)、零基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上更有成本優(yōu)勢(shì)，但需要重新研發(fā)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并新建相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。后續(xù)SLS火箭的助推級(jí)Block II還將根據(jù)性能需求、運(yùn)營(yíng)成本和發(fā)射頻率在兩者之間進(jìn)行選擇，改進(jìn)后的推力約800噸的F-1B液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)就是有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。
2. 2液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)在可重復(fù)使用運(yùn)載器中的應(yīng)用
可重復(fù)使用運(yùn)載器是降低發(fā)射成本和應(yīng)對(duì)高密度發(fā)射的有效途徑，可重復(fù)使用飛行器及其動(dòng)力技術(shù)己成為國(guó)外商業(yè)航天發(fā)射研發(fā)的重點(diǎn)，國(guó)外公司正在為未來(lái)商業(yè)航天發(fā)射開(kāi)發(fā)真正意義上能夠重復(fù)使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
2008年3月，XCOR公司宣布研制一種火箭助推的兩座太空船“山貓”( Lynx)，將主要用于私人太空游。助推火箭擬采用循環(huán)往復(fù)活塞泵增壓的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)XR-SI418，其推力為11. 12~12. 9 kN利用煤油對(duì)推力室進(jìn)行再生冷卻。由于采用了三循環(huán)往復(fù)活塞泵，XR –SI418要比采用傳統(tǒng)渦輪泵的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更為簡(jiǎn)單、成本也更低廉，發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)己于2008年12月啟動(dòng)，XCOR公司也在考慮將液氧/甲烷作為其推進(jìn)劑。
Garvey Spacecraft公司與加利福利亞大學(xué)正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)可重復(fù)使用納米衛(wèi)星運(yùn)載器(ReusableNanosat Launch Vehicles RNLV)，力求能夠?qū)?0 kg有效載荷送入250 km的極地軌道。RNLV第一、二級(jí)均采用擠壓式液氧稠化丙稀發(fā)動(dòng)機(jī)，推力分別為29. 65 kN和1. 9 kN，燃燒室壓力約為2 MPa和1 MPa，推力室冷卻方式采用燒蝕冷卻和輻射冷卻，從而避開(kāi)了丙稀再生冷卻時(shí)的結(jié)焦問(wèn)題。
2007年3月，美國(guó)空軍選定安德魯斯太空公司( Andrews space)協(xié)助其完成“完全可重復(fù)使用進(jìn)入太空技術(shù)計(jì)劃”( Fully-reusable Access to SpaceTechnologies ，F(xiàn)AST)，最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種可完全重復(fù)使用的天地往返飛行器。推進(jìn)系統(tǒng)計(jì)劃采用兩臺(tái)SpaceX公司Merlin-1或挑戰(zhàn)太空公司(Challengespace)的Chase-10液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。
SpaceX公司的獵鷹-9和獵鷹重型火箭在設(shè)計(jì)之初就考慮了運(yùn)載器及其Merlin-1液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的部分或完全可重復(fù)使用。目前，SpaceX公司正在嘗試?yán)?ldquo;蚌錳”(Grasshopper)亞軌道可重復(fù)使用飛行器以實(shí)現(xiàn)獵鷹-9火箭第一級(jí)的可重復(fù)使用。2012年9月至2013年10月，第一代蚌錳飛行器己成功進(jìn)行了8次垂直起降飛行試驗(yàn)，在第8次試驗(yàn)中利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推力控制創(chuàng)造了744 m垂直降落的新紀(jì)錄。
2. 3烴類(lèi)推進(jìn)劑在上面級(jí)/空間推進(jìn)領(lǐng)域中的應(yīng)用
蘇聯(lián)/俄羅斯為載人登月計(jì)劃和商業(yè)發(fā)射任務(wù)研制了高性能的液氧煤油上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。以聯(lián)盟號(hào)系列火箭為例，上面級(jí)有四推力室的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)RD-0110發(fā)動(dòng)機(jī)、四推力室的補(bǔ)燃循環(huán)RD -0124發(fā)動(dòng)機(jī)、單推力室的補(bǔ)燃循環(huán)RD-0154發(fā)動(dòng)機(jī)和RD-161 /161P發(fā)動(dòng)機(jī)，而N-1火箭的BlockD和質(zhì)子號(hào)火箭的上面級(jí)則是RD -58/58M/58S系列發(fā)動(dòng)機(jī)。除早期的RD-0110發(fā)動(dòng)機(jī)和過(guò)氧化氫煤油發(fā)動(dòng)機(jī)RD-161 P之外，上述其它上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖均在3500-3600 m/s量級(jí)。
鑒于液氧/甲烷推進(jìn)劑的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，俄羅斯自20世紀(jì)90年代起在己有的液氧煤油和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上探索性地研制了RD-183 / 185 / 190液氧甲烷(液化天然氣)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃用于“人力車(chē)”運(yùn)載火箭的第二級(jí)和第三級(jí)，但至今未得到飛行驗(yàn)證。2000年前后，美國(guó)普惠公司開(kāi)展了膨脹循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為低成本上面級(jí)動(dòng)力的方案論證工作。圍繞美國(guó)重返月球計(jì)劃，普惠公司就牽牛星月球著陸器下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氧甲烷膨脹循環(huán)開(kāi)展了參數(shù)估算，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)的具體方案NASA將RS -18發(fā)動(dòng)機(jī)改造為月球著陸器上升級(jí)的擠壓式液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，并開(kāi)展了高空模擬試車(chē)和低溫推進(jìn)劑在月球表面的長(zhǎng)期貯存模擬試驗(yàn)研究;NASA進(jìn)行了月球著陸器液氧甲烷反作用控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究;獵戶座飛船服務(wù)艙的主推進(jìn)和姿控裝置擬采用擠壓式液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，反作用控制系統(tǒng)擬采用氣氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
近年來(lái)，高濃度過(guò)氧化氫/煤油推進(jìn)劑組合在空間推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了關(guān)注，目的是替代現(xiàn)有的四氧化二氮/阱類(lèi)推進(jìn)劑組合。過(guò)氧化氫/煤油具有兩種工作模式，過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生高溫氧氣和過(guò)熱水蒸汽，可作為單組元空間推進(jìn)劑使用，而將其作為氧化劑與煤油或其它烴類(lèi)燃料構(gòu)成雙組元推進(jìn)劑時(shí)可獲得更高的推力和比沖。俄羅斯的RD - 161 P發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖3129 m/s，可用于軌道機(jī)動(dòng)和載人航天飛行的生命保障系統(tǒng)，執(zhí)行空間推進(jìn)任務(wù)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。美國(guó)Aerojet公司的過(guò)氧化氫煤油JP - 8火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也己成功應(yīng)用于X-37A空天飛機(jī)，還曾計(jì)劃應(yīng)用于美國(guó)空軍的空間機(jī)動(dòng)飛行器(SMV)和NASA的X-37B空天飛機(jī)。 近十年來(lái)，氧化亞氮混合燃料(Nitrous OxideFuel Blend NOFB)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用前景備受關(guān)注。 NOFB多以氧化亞氮與乙烷、乙烯或乙炔等烴類(lèi)燃料的混合物形式貯存，因此也稱(chēng)為混合單組元推進(jìn)劑。當(dāng)加熱或催化分解NOFB時(shí)，氧化亞氮釋熱分解成富氧燃?xì)?，隨之與燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與同為單組元推進(jìn)劑的阱相比，NOFB的真空比沖高達(dá)3200 m / s以上，無(wú)毒低成本，耐存貯溫度范圍寬，材料相容性好，并可實(shí)現(xiàn)再生冷卻、自增壓及深度節(jié)流。NASA原計(jì)劃于2013年在國(guó)際空間站開(kāi)展400 N量級(jí)NOFBX發(fā)動(dòng)機(jī)的空間性能測(cè)試，但至今未能實(shí)現(xiàn)。
除上述液氧/煤油、液氧/甲烷以及過(guò)氧化氫/煤油這類(lèi)復(fù)雜的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之外，烴類(lèi)推進(jìn)劑還可作為小型航天器微推進(jìn)系統(tǒng)的冷氣源，目前己得到實(shí)際應(yīng)用的液化氣推進(jìn)劑是丁烷和丙烷。英國(guó)薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司(Surrey Satellite TechnologyLtd ，SSTL)的首顆納衛(wèi)星SNAP - 1就采用了以丁烷為推進(jìn)劑的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，該推進(jìn)系統(tǒng)是目前世界上最小的推進(jìn)系統(tǒng)，總質(zhì)量?jī)H450 g，推進(jìn)劑丁烷質(zhì)量32.6 g。1974年，英國(guó)的Miranda ( X - 4)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星首次采用了液態(tài)丙烷的液化氣推進(jìn)技術(shù)，推力器推力為46 mN，比沖可達(dá)530·920 m / s，從而將整個(gè)微推進(jìn)系統(tǒng)比沖提高到了440~679 m / s。
2. 4烴類(lèi)燃料在沖壓和組合發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用
對(duì)于飛行馬赫數(shù)Ma 10以下的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，宜采用高密度的吸熱型碳?xì)淙剂?。該?lèi)燃料既可通過(guò)自身的物理熱沉吸熱，又可以通過(guò)化學(xué)裂解吸收飛行器高溫部位產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而得到燃燒性能良好的小分子裂解產(chǎn)物，組織燃燒后為飛行器提供動(dòng)力。
美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局聯(lián)合研制的X -S1A飛行器的推進(jìn)裝置為一臺(tái)JP - 7碳?xì)淙剂系腟JY61系列超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。2010年5月26日，X -S1A驗(yàn)證機(jī)首飛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)密封失效，飛行器未加速至飛行馬赫數(shù)6以上。在2013年5月的第四次飛行試驗(yàn)中，X -S1A飛行器超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在18.3 km高度持續(xù)工作210 s，最大飛行馬赫數(shù)Ma 5 . 1。 烴類(lèi)燃料在吸氣式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)探索中同樣占據(jù)重要地位。2010年，美國(guó)空軍委托Astrox公司就兩級(jí)入軌飛行器的不同構(gòu)型進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量最優(yōu)飛行器的第一級(jí)應(yīng)當(dāng)為可重復(fù)使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)則為液氧甲烷火箭基組合循環(huán)(Rocket BasedCombined Cycle}RBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)，這也為烴類(lèi)燃料在美國(guó)組合發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用指明了方向。
3烴類(lèi)航天動(dòng)力在中國(guó)的研制進(jìn)展
3. 1液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展
20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)提出了發(fā)展液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想，隨后便開(kāi)展了高壓補(bǔ)燃循環(huán)(分級(jí)燃燒循環(huán))液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。目前，作為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭芯級(jí)和助推級(jí)主動(dòng)力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)己研制成功，作為上面級(jí)主動(dòng)力的18噸液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制告捷，新一代運(yùn)載火箭即將陸續(xù)迎來(lái)首飛。
作為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭無(wú)毒、無(wú)污染、高性能和高可靠性的核心動(dòng)力裝置，YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)是一種單推力室的高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，海平面推力約1200 kN，燃燒室壓力約18 MPa，海平面比沖約2942 m / s。與俄羅斯先進(jìn)的RD-170 / 180 /191液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖基本與之相當(dāng)，但推力量級(jí)偏小。
我國(guó)120噸和18噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)均采用先進(jìn)的高壓富氧補(bǔ)燃動(dòng)力循環(huán)模式，經(jīng)過(guò)多年的探索和積累，例如富氧燃?xì)獾母邏貉a(bǔ)燃技術(shù)，貯箱壓頭自身起動(dòng)及化學(xué)點(diǎn)火技術(shù)，大范圍推力和混合比調(diào)節(jié)技術(shù)，高壓、大流量富氧預(yù)燃室技術(shù)，高壓推力室的再生冷卻技術(shù)，高性能、燃燒穩(wěn)定性好的氣/液噴注器技術(shù)，富氧燃?xì)怛?qū)動(dòng)、大流量、全進(jìn)氣、低壓比和高效率渦輪技術(shù)，高揚(yáng)程、高效率液氧泵和燃料泵等一系列關(guān)鍵技術(shù)得以突破，標(biāo)志著我國(guó)己成為繼俄羅斯之后第二個(gè)完全掌握高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的國(guó)家。
3. 2液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究進(jìn)展
我國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)展了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)先研究工作，進(jìn)行了液態(tài)甲烷的電傳熱試驗(yàn)和推力室點(diǎn)火試驗(yàn)，對(duì)比分析了甲烷和煤油、丙烷的燃燒穩(wěn)定性、積碳、結(jié)焦以及冷卻性能，并將綠色四氧化二氮和偏二甲阱常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)直接改為液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)后進(jìn)行了熱試車(chē)，結(jié)果表明液氧/甲烷是一種很有發(fā)展前景的推進(jìn)劑組合。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)啟動(dòng)了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了推力600 kN量級(jí)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)方案，采用富燃燃?xì)獍l(fā)生器、雙渦輪并聯(lián)甲烷/液氧渦輪泵，液態(tài)甲烷再生冷卻推力室。2013年，600 kN級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試車(chē)取得成功，液氧甲烷噴注器縮尺試驗(yàn)研究、燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火方案研究、燃?xì)獍l(fā)生器低混合比液/液噴霧燃燒研究、渦輪泵適應(yīng)性研究、液態(tài)甲烷與材料相容性試驗(yàn)研究取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展。
4烴類(lèi)航天動(dòng)力在中國(guó)的發(fā)展展望
世界各國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)大多采取重型和大型與中型/小型運(yùn)載火箭相結(jié)合、載人航天與商業(yè)發(fā)射相互兼容的發(fā)展思路，大推力液氧煤油助推加液氧煤油或液氫液氧芯級(jí)成為典型的火箭構(gòu)型，涉及的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型少、數(shù)量少且推力大是未來(lái)主流運(yùn)載火箭的典型構(gòu)型特征和發(fā)展趨勢(shì)。
在我國(guó)新一代的長(zhǎng)征五號(hào)、六號(hào)和七號(hào)(CZ -5 /6 /7 )運(yùn)載火箭中，CZ - 5低地球軌道(Low EarthOrbit LEO)運(yùn)載能力可覆蓋10~25噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道(Geostationary Transfer Orbit } GTO)運(yùn)載能力為6-14噸。與Atlas-5 , Delta-4和Ariane-5等運(yùn)載能力相當(dāng)?shù)拇笮瓦\(yùn)載火箭相比[X33-34] CZ -5火箭涉及三種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，構(gòu)型相對(duì)復(fù)雜，總體尺寸規(guī)模較大，GTO運(yùn)載能力14噸的CZ-SE火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量更是多達(dá)12臺(tái)。此外，中型運(yùn)載火箭CZ-7也同樣存在上述問(wèn)題。顯然，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的芯級(jí)和助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)偏小，既不利于火箭構(gòu)型優(yōu)化，也無(wú)法滿足后續(xù)載人登月和深空探測(cè)等重大航天活動(dòng)百噸級(jí)LEO運(yùn)載能力的發(fā)射需求。
大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)未來(lái)重型運(yùn)載火箭的核心動(dòng)力，其衍生發(fā)動(dòng)機(jī)也是未來(lái)CZ-5等火箭結(jié)構(gòu)和運(yùn)載能力優(yōu)化的方向之一。我國(guó)重型運(yùn)載火箭大推力液氧/烴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力需求范圍為4000~7000 kN，其商業(yè)應(yīng)用范圍較窄。考慮到大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的使用成本、技術(shù)繼承性、技術(shù)帶動(dòng)性以及運(yùn)載項(xiàng)目對(duì)動(dòng)力技術(shù)的牽引，宜在現(xiàn)有1200 kN級(jí)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上研制推力5000 kN量級(jí)的雙推力室液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)采用高壓富氧補(bǔ)燃循環(huán)、分級(jí)起動(dòng)和泵后搖擺技術(shù)，且必須具備推力和混合比大范圍調(diào)節(jié)的能力。
雖然5000 kN級(jí)雙推力室液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)有YF-100火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為技術(shù)儲(chǔ)備，但依然需要突破諸如大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分級(jí)起動(dòng)技術(shù)、高溫高壓富氧燃?xì)鈸u擺軟管技術(shù)、高效穩(wěn)定燃燒技術(shù)、高室壓大熱流推力室冷卻技術(shù)、高效的大功率渦輪泵技術(shù)、高精度大范圍流量調(diào)節(jié)技術(shù)、密封和軸承技術(shù)、低溫高壓動(dòng)密封技術(shù)以及大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和試驗(yàn)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為降低研制難度并實(shí)現(xiàn)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)譜系化，應(yīng)首先研制2400 kN級(jí)的單推力室液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，以此優(yōu)化CZ-5火箭構(gòu)型，減少發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量并提高可靠性，然后結(jié)合推力室和渦輪泵兩個(gè)技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)最終研制成功5000 kN級(jí)雙推力室液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。 高壓補(bǔ)燃液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)載人和商業(yè)航天推進(jìn)領(lǐng)域必將大有作為。120噸和18噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在可重復(fù)使用和可靠性方面還存在提升空間，必須對(duì)其進(jìn)行類(lèi)似于YF-20系列或RD-107系列發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)改進(jìn)，不斷提升可靠性并加大商業(yè)化應(yīng)用驗(yàn)證，才能滿足未來(lái)大/中型運(yùn)載火箭載人航天和商業(yè)發(fā)射需求。
液氧/烴高性能上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、空間軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動(dòng)機(jī)、登月下降級(jí)和上升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是進(jìn)一步提升我國(guó)載人航天技術(shù)水平和空間探測(cè)能力的動(dòng)力保障。作為中小型運(yùn)載火箭上面級(jí)動(dòng)力和空間探測(cè)軌道轉(zhuǎn)移動(dòng)力的優(yōu)選方案之一，空間可貯存的高性能補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還有待研究和發(fā)展，以RD -0154和RD -585發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)方案和性能指標(biāo)為基準(zhǔn)，利用我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備來(lái)研制該類(lèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是完全可行的。此外，空間可貯存的液氧甲烷、液氧煤油以及NOFB發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)作為載人登月下降級(jí)和上升級(jí)動(dòng)力而開(kāi)展研究和研制。
鑒于美國(guó)和蘇聯(lián)/俄羅斯在載人登月和深空探測(cè)計(jì)劃中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，登月下降級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備深度節(jié)流變推力、多次起動(dòng)和推力室搖擺能力，為此NOFB發(fā)動(dòng)機(jī)可采用擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)，液氧/甲烷可考慮采用膨脹循環(huán)，而液氧/煤油則考慮采用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)、針?biāo)ㄊ絿娮⑵?、可變面積流量調(diào)節(jié)閥、噴注壓降和混合比分別調(diào)節(jié)方案、推力室的內(nèi)外高效冷卻方案。登月上升級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可固定，但必須具備多次起動(dòng)能力和搖擺能力，推力室冷卻方案也需要重點(diǎn)考慮。
烴類(lèi)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)是低成本進(jìn)入空間和天地往返的現(xiàn)實(shí)需求，可重復(fù)使用的液氧甲烷和液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)玫綉?yīng)有的重視。對(duì)于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，在燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)、富燃補(bǔ)燃循環(huán)(部分/全部甲烷再生冷卻)、富氧補(bǔ)燃循環(huán)、全流量補(bǔ)燃循環(huán)以及膨脹循環(huán)等循環(huán)模式中，不同推力量級(jí)和飛行任務(wù)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用何種動(dòng)力循環(huán)模式是最先需要研究解決的問(wèn)題。對(duì)于火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)展吸熱型碳?xì)淙剂吓浞絻?yōu)化及性能提升、碳?xì)淙剂蟼鳠崽匦浴⑻細(xì)淙剂狭呀夂徒Y(jié)焦特性及控制技術(shù)、碳?xì)淙剂细邷馗邏何镄詼y(cè)量等基礎(chǔ)研究。
5結(jié)束語(yǔ)
液氧/烴是未來(lái)高性能低成本航天運(yùn)輸系統(tǒng)推進(jìn)劑組合的發(fā)展趨勢(shì)，以高性能液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的航天液體動(dòng)力體系在航天推進(jìn)多任務(wù)適應(yīng)性方面具有良好的應(yīng)用前景。
為構(gòu)建并完善符合我國(guó)國(guó)情的航天動(dòng)力體系，建議加快5000 kN級(jí)大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)研制，積極開(kāi)展液氧高能合成煤油上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案論證和型號(hào)研制，提升空間探測(cè)用液氧甲烷、液氧煤油、過(guò)氧化氫煤油、NOFB單組元推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的研制能力，提高適用于可重復(fù)使用運(yùn)載器的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制水平，增強(qiáng)微推進(jìn)器的丙烷和丁烷推進(jìn)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用能力，加強(qiáng)烴類(lèi)燃料吸氣式組合動(dòng)力的認(rèn)知水平和研制能力，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)航天液體推進(jìn)技術(shù)的推進(jìn)劑無(wú)毒化、循環(huán)方式多樣化和推力系列化。
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