突破！液氧煤油發動機重複使用技術進入實戰階段

微信公眾號“ 西安航天動力研究所”9月13日訊息，近日，由西安航天動力研究所自主研製的某型液氧煤油發動機首次實現重複飛行試驗驗證。該型發動機作為某飛行器主動力裝置參加首飛試驗後，經檢測維護，再次裝配並順利完成了重複飛行試驗，國內首次實現了液體火箭動力的重複使用。

起步：設計之初考慮多次工作要求

液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置，功能全、效能高、技術難度大、研製週期長，液體火箭發動機的可重複使用技術，對可重複使用航天運載器至關重要。

20世紀80年代，美國的太空梭計劃取得成功，實現了部分重複使用的目標，雖然太空梭主發動機（SSME）進行了持續改進，但該發動機在實際工作中遠未達到55次飛行的設計目標，且重複使用過程中維護檢測流程複雜，成本高昂，2011年SSME隨太空梭退役。進入新世紀，美國私營企業SpaceX的火箭垂直起降回收技術引人關注，2015年底至2016年初，成功完成了陸上發射場回收和海上平臺回收，代表了可重複使用運載器的最新進展。

液氧煤油發動機是我國新一代運載火箭的主要動力裝置，具有高效能、大推力、無毒無汙染等優點。該發動機從設計之初，部元件方案及總體佈局按多次工作的要求開展論證，所有閥門均為可多次工作的氣動、電動、液動等工作形式，地面研製試驗實現了單臺發動機不下臺重複試車8次。

“十三五”期間，我所預先開展了液氧煤油發動機重複使用關鍵技術研究，取得了大量理論和試驗研究成果，為液氧煤油發動機重複使用奠定了基礎。

攻關：重複使用五大關鍵技術

由於天地工作環境的差異性及各種保障條件的限制，液氧煤油發動機飛行重複點火與地面試驗重複點火不能簡單劃等號，飛行力、熱等環境條件也更加惡劣，因此液氧煤油發動機重複使用需要攻克的關鍵技術難題更多，主要有以下幾個方面：

一、多次點火技術

採用垂直起降的航天運載器都需要發動機具備多次點火能力，像SpaceX公司開式迴圈液氧煤油發動機梅林-1D（Merlin-1D），在獵鷹9號垂直起降過程最多要點火工作3次。

液氧煤油發動機採用了綠色、環保的推進劑組合，可在一次點火工作後進行吹除處理後，實現發動機重複點火工作，技術上具有重複使用能力。但航天運載器飛行時，無法實現和地面試驗相同的吹除等保障條件，同時由於低溫發動機點火準備階段需對低溫系統進行預先預冷，所以點火準備期的流程和地面也有較大差異。對於補燃迴圈液氧煤油發動機，這些制約條件將更加凸顯，需要對發動機進行技術研究，最佳化發動機點火準備階段的預冷流程，簡化發動機關機後至點火前的吹除處理方案。

目前，我國補燃迴圈液氧煤油發動機已在地面試驗實現了不間斷三次點火起動，摸索出了重複點火工作間的吹除處置和預冷方法。

二、大範圍變推力技術

垂直起降的航天運載器在返回過程中，由於推進劑剩餘量逐漸減少，運載器重量越來越輕，需要發動機具備大範圍推力調節能力，才能實現減速或地面軟著陸。要實現發動機的大範圍變推力，需設定調節元件和驅動機構，同時對調節精度和調節速率有要求。另外，工作條件的大範圍變化對發動機推力室等熱力元件及渦輪泵等主要元件的工作適應能力提出了很高要求。

我國液氧煤油發動機具備無級推力調節能力，透過地面試車進行充分驗證，其中推力調節機構和大範圍推力調節能力在新一代長征八號運載火箭上實現了飛行驗證。

三、力、熱防護技術

與一次性使用運載器相比，重複使用運載器不僅要求發動機在上升段工作，而且返回段也要再次點火工作用於運載器減速或著陸，特別是返回段的氣動力載荷條件、噴口反流熱流條件等更加苛刻，需要對發動機進行力、熱防護技術研究。另外，非工作段部分貫通內腔的介面也需要考慮返回段外界氣壓的變化進行正壓或反向密封保護。

某飛行器試驗的成功，初步驗證了液氧煤油發動機對重複使用飛行力、熱載荷條件及免維護防護措施的有效性。

四、重複使用狀態評估技術

為了實現發動機重複使用工作的可靠性，需要對返回後的發動機進行狀態評估，用於判定發動機是否具再次飛行的能力，特別是對工作條件惡劣的熱力元件熱疲勞、轉子元件結構應力疲勞開展專項研究。另外，發展並採用線上實時健康診斷技術，實現飛行階段發動機工作狀態的健康監測或採用動力冗餘運載器的彈道重構。

國內液體火箭發動機地面故障診斷系統在液氧煤油發動機研製試驗中應用較早，技術成熟。2022年3月在新一代長征六號甲運載火箭上首次實現了飛行健康監控系統的實戰應用。透過液體動力健康診斷相關技術研究，液氧煤油發動機在試車或飛行後狀態評估技術方面也開展了大量研究工作。

五、重複使用檢測維護技術

為了實現低成本，體現出發動機重複使用的價值，要求對返回後的發動機進行的檢測專案越少越好，維護越簡單越好，這與發動機健康狀態評估是一對矛盾體，需要開展深入研究，在健康狀態評估的基礎上儘量簡化檢測維護方案，最終實現發動機的低成本、短週期快速檢測維護。

液氧煤油發動機透過發射場使用維護簡化研究及重複使用相關維護處理技術研究，實現操作維護專案大幅度精簡，首次實現低溫火箭液氧加註後無人值守功能驗證。

展望：為完全重複使用積累了寶貴經驗

為了實現發動機短週期處理再次交付飛行，研製團隊在液氧煤油發動機重複使用技術課題研究的基礎上，針對性地制定了發動機檢測維護方案，做到了短期快速處理交付原機，初步實現了液氧煤油發動機重複使用。

隨著人類對太空探索的深入開展，宇航動力技術開始進入創新發展和規模化發展階段。各航天大國都在積極推動運載火箭升級換代，謀求快速、可靠、低成本地進入太空。主要航天國家和地區都已建立了比較完善的運載火箭型譜，能夠滿足大、中、小型有效載荷的發射任務。主要航天國家大力發展重型運載火箭，為滿足未來執行載人登月及探火、大規模深空探測等任務需求；不斷推動可重複使用運載器的工程化應用，開展關鍵技術攻關和試驗驗證。基於前期關鍵技術驗證和雄厚的專業基礎，美俄等主要國家下一代火箭動力產品進入整機試車階段，為其新型航天運輸工具提供先進動力基礎。

所長張曉軍表示：“我國液氧煤油發動機首次重複飛行成功，標誌著發動機重複使用技術進入實戰階段，我們將進一步關注發動機的高可靠性、低成本、高效能，持續開展可重複使用技術探索，為我國快速大規模進出太空空間提供堅強動力保障。”