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            液體火箭復用,下一步瞄準哪兒?
            發布時間:2022-09-27
            瀏覽次數:886

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            近日,我國自主研制的某型液氧煤油發動機成功完成重復飛行試驗。由此,國內首次實現了液體火箭動力系統重復使用,標志著我國液體火箭發動機重復使用技術進入工程應用階段。

            放眼全球,隨著可重復使用火箭技術日益成熟,技術難點被逐步攻克,各國已掀起新一輪發展熱潮。那么可重復使用的液體火箭目前有哪些型號?未來發展趨勢又會是怎樣呢?

            回收復用難關多

            液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置,具有性能高、任務適應強、技術難度大、研制周期長等特點,堪稱航天運載器上最復雜的產品之一。因此,液體火箭動力系統重復使用是實現航天運載器重復使用所必須突破的關鍵技術之一。

            具體來說,液體火箭發動機想實現重復使用,需要突破多次啟動、低入口壓力啟動、大范圍推力調節、狀態評估檢測及健康管理、快速簡化處理、高溫組件結構抗疲勞壽命評估及延壽、全任務復雜力熱環境預示及控制等關鍵技術,其研制難度遠遠超過傳統上一次性使用的液體火箭發動機。

            在世界主要航天強國中,美國在可重復使用火箭動力領域的科研實力最雄厚,應用經驗也最豐富。早在20世紀80年代,美國就已經成功研制了能夠重復使用的大推力液體火箭發動機,并作為航天飛機的主發動機。

            航天飛機的主發動機使用液氫液氧推進劑,3臺總共提供600多噸的推力,而且推力可在65%~109%范圍內調節。這樣設計是為了讓航天飛機在點火和初始的上升階段獲得更大的推力,更容易飛起來并加速,而在最后的上升階段,主發動機會減少推力,便于實現對入軌速度的精確控制。

            航天飛機的主發動機使用液氫液氧推進

            2011年航天飛機退役之后,美國商業航天新勢力承擔起“重復使用,天地往返”的重任。其中,SpaceX公司的獵鷹9火箭革命性地實現了入軌級運載火箭第一級回收與重復使用。

            2015年12月,獵鷹9火箭首次陸地成功回收一子級。2017年3月,獵鷹9火箭一子級首次重復使用發射。截至2022年9月,該火箭成功回收一子級130多次,單枚火箭一子級復用次數最多達14次,發射強度之高、可靠性和經濟性之顯著都令人驚嘆。

            成就獵鷹9火箭的技術基礎是9臺并聯的梅林1D發動機。這款發動機是專門為可重復使用火箭設計的,采用了液氧煤油推進劑,單臺海平面推力87噸,比沖275秒,具備多次點火能力。

            與傳統液體火箭發動機相比,梅林1D發動機最特殊的一點是實現了在39%~100%范圍內推力調節,9臺并聯則能實現總推力在4.3%-100%范圍內調節,為火箭回收和重復使用奠定了堅實的動力基礎。

            此外,梅林1D發動機還被應用于獵鷹重型火箭,由27臺并聯構成了第一級,成就了這款現役運載能力最強的火箭,近地軌道運載能力達63噸。自2018年以來,獵鷹重型火箭已成功發射3次,但回收工作不是很順利,可見液體火箭動力回收和重復使用的復雜性。

            群雄爭鋒迎挑戰

            縱覽各國,液體火箭動力系統重復使用技術吸引著眾多航天業者投身其中,不惜挑戰更大的難關,追求更高的指標。

            據公開資料顯示,我國某型液氧煤油發動機于2021年作為某飛行器主動力裝置參加了首飛試驗,經檢測維護后,近日成功參加了重復飛行試驗任務。

            此外,我國已曝光了多款液體火箭動力系統回收方案和重復使用航天器計劃,使用不同的推進劑和構型。一些發動機測試取得進展的新聞報道也證實,我國液體火箭發動機重復使用技術正在穩步推進。

            美國SpaceX公司正在全力研發“星艦”,其近地軌道運力達到160噸級。同步推進的項目則是代號“猛禽”的液氧甲烷發動機,其最新型號的海平面推力達300噸,比沖334秒,能夠實現在20%~100%范圍內推力調節。

            “星艦”一子級并聯了33臺猛禽發動機

            “猛禽”難度最大、潛力最優的指標是燃燒室的超高壓,已超過了之前在這方面最出色的液體火箭發動機——俄羅斯RD-180。而超高的燃燒室壓可以讓“猛禽”有更高的推重比,目前的版本達到了107:1,后續提升空間仍然很大。

            目前,“星艦”第二級已多次完成有限高度試飛,并聯33臺“猛禽”的第一級很快將進行全面點火測試,推動“星艦”盡早嘗試首次入軌發射。

            美國藍色起源公司也成功研制了可重復使用火箭。新謝潑德火箭于2015年11月首飛并回收,截至今年9月12日發射失敗前,成功飛行21次,并執行了6次載人飛行任務。新謝潑德火箭目前只能亞軌道飛行,使用BE-3液氫液氧發動機,而藍色起源公司正在研發BE-4液氧甲烷發動機,其推力超過“猛禽”,計劃用于新格倫火箭,開展入軌發射業務。

            美國可重復使用火箭嚴重擠壓了俄羅斯和歐空局傳統火箭的市場份額,迫使俄、歐也重視研發可重復使用火箭及其液體發動機。

            阿穆爾火箭是俄羅斯開發的可重復使用兩級中型火箭,預計將于2026年從東方航天發射場首飛。按設計,該火箭第一級可重復使用10次,并聯5臺RD-0169液氧甲烷發動機。在重復使用第一級時,阿穆爾火箭預計能將9.5噸載荷送入近地軌道,在一次性使用時,近地軌道運載能力約12噸。

            歐空局在阿里安6火箭的基礎上規劃了可重復使用火箭,第一級將采用7臺或9臺普羅米修斯液氧甲烷發動機。論證中的火箭構型直徑分別為5.4米和4.6米,可捆綁液體助推器,進一步增大運載能力。

            三足鼎立新趨勢

            可重復使用運載火箭的出現,深遠地改變了世界航天運輸領域的格局和發展方向。液體火箭動力系統追求可重復使用,兼顧低成本和高可靠性,已經成為各國研發新一代液體火箭發動機的共識。

            那么未來的液體火箭動力系統會選擇什么推進劑呢?從發展趨勢來看,液氧甲烷似乎成為新一代可重復使用火箭動力的主流選擇。因為液氧甲烷推進劑具備比沖高、成本較低、清潔環保、維護使用方便等優點,適合發動機大規模生產和重復發射,本身也便于在太空中長期貯存,能有效減小發動機尺寸和質量。尤其是近年來越來越熱門的地球與火星往返任務,液氧甲烷發動機有可能從火星原位資源利用試驗中受益,潛力巨大。

            不過,液氫液氧動力的高比沖、液氧煤油動力的高可靠性等優勢仍不容忽視,在某些任務中是不可或缺的,所以可重復使用液體火箭的技術路線有可能呈現三足鼎立的格局。

            隨著可重復使用火箭在未來逐漸成為主流,現有液體火箭動力系統的研發、制造、維護保障也面臨變革。從效益出發,發動機有可能采用更多高強度、低重量的新型材料,創新低成本快速制造工藝,而快速多次啟動性能也成為發動機的新需求。

            總之,液體火箭動力系統重復使用優勢明顯,前途光明,不僅能降低航天發射成本,更好地服務于生產生活,更有望開拓航天探索的新領域。(作者:賁勛)



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