鄭大勇,顏 勇,孫紀(jì)國(guó)
重復(fù)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)能夠快速穿越大氣層往返于天地間或能在外層空間軌道間機(jī)動(dòng)飛行、按需返回地面并可重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng),其液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟,已成功應(yīng)用于一次性運(yùn)載火箭和部分重復(fù)使用的航天飛機(jī)上。采用液體火箭動(dòng)力構(gòu)建的重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng),是目前較為現(xiàn)實(shí)的發(fā)展目標(biāo)[1,2]。在重復(fù)使用液體火箭動(dòng)力技術(shù)方面,各國(guó)主要開(kāi)展了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)具有成本低、可重復(fù)使用、維護(hù)方便等特點(diǎn),近年來(lái)逐漸成為各國(guó)重復(fù)使用運(yùn)載器液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)。
表1 常用液體推進(jìn)劑基本物理特性Tab.1 Fundamental Physical Characteristic of Common Liquid Propellant
續(xù)表1
重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具備多次重復(fù)使用的能力,應(yīng)保證在各種使用條件下壽命長(zhǎng),具備幾十次甚至上百次的工作能力。
推力室是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要核心組件之一。推力室內(nèi)壁裂紋破壞成為限制推力室壽命的主要因素,低周疲勞和高溫蠕變是造成燃燒室內(nèi)壁裂紋破壞的主要原因。烴類燃料中,甲烷比熱高、粘度小,冷卻推力室后為超臨界氣體,壓降小,沒(méi)有熱分解問(wèn)題,非常適宜用作推力室再生冷卻劑[9]。歐洲對(duì)富燃循環(huán)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室工作壽命進(jìn)行了分析評(píng)估,液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室疲勞循環(huán)次數(shù)為46次,累計(jì)工作壽命為9200 s[10,11];中國(guó)對(duì)60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部的壽命仿真評(píng)估可達(dá)50余次,累計(jì)時(shí)間近10 000 s;推力室縮尺件熱試驗(yàn)考核35次無(wú)異常;相比于同等室壓下的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力室內(nèi)壁4次試車即出現(xiàn)裂紋,60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)累計(jì)啟動(dòng)13次,2100余秒無(wú)裂紋。研究結(jié)果表明,無(wú)論是長(zhǎng)時(shí)間工作,還是多次啟動(dòng)關(guān)機(jī),液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室具有較高的壽命裕度,能夠達(dá)到長(zhǎng)壽命、多次使用要求。60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室縮尺件熱試驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示。
圖1 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用推力室縮尺件試驗(yàn)Fig.1 LOX/Methane Subscale Thrust Chamber Testing
渦輪泵的能量密度用渦輪泵的功率與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值表示,是決定渦輪泵工作壽命的主要因素之一。在相同的循環(huán)方案和推力情況下,甲烷渦輪泵的能量密度不到液氫渦輪泵的二分之一。國(guó)外研究結(jié)果表明,采用中等室壓的開(kāi)式燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方案,液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的工作壽命近10 000 s,即使采用高室壓的補(bǔ)燃方案,渦輪泵的能量密度仍可保證發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用20次以上,工作壽命大于4000 s[12,13]。中國(guó)開(kāi)展的渦輪泵核心零組件壽命研究結(jié)果也表明,渦輪泵軸承及動(dòng)密封等核心零組件的工作壽命已不低于80次;單臺(tái)渦輪泵經(jīng)過(guò)13次啟動(dòng),總計(jì)2103 s發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)熱試車考核,渦輪泵軸承、密封軸套、浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)完好,產(chǎn)品性能穩(wěn)定,重復(fù)性較好,能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、多次可重復(fù)使用要求。渦輪泵核心組件及臺(tái)架試驗(yàn)情況如圖2所示。
圖2 渦輪泵核心組件及臺(tái)架試驗(yàn)Fig.2 Core Component and Stand Test of Turbopump
重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有快速、高效的飛行后處理措施,能夠方便地清除剩余推進(jìn)劑,具備便捷有效的測(cè)試檢查手段,以保證后續(xù)飛行過(guò)程的安全。
甲烷和液氧的沸點(diǎn)分別為112 K和90 K,具有沸點(diǎn)低、容易蒸發(fā)的特點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后通過(guò)氮?dú)獯党纯蓪?nèi)腔推進(jìn)劑處理干凈,狀態(tài)恢復(fù)最短時(shí)間為1~2天,發(fā)動(dòng)機(jī)試后處理流程快速、高效。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)換熱的甲烷蒸汽可以對(duì)貯箱進(jìn)行自生增壓,有利于簡(jiǎn)化增壓輸送系統(tǒng)方案。采用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)載器進(jìn)行吹除、置換可以不用氦氣而采用氮?dú)?,有利于降低成本。甲烷不結(jié)焦、燃燒積碳少,重復(fù)使用時(shí)無(wú)需清洗,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多次重復(fù)使用性能無(wú)影響,發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后無(wú)需進(jìn)行特殊處理。
液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)兼具液氫液氧和其他液氧烴發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),在重復(fù)使用性和使用維護(hù)性方面具有綜合性能好的特點(diǎn),特別適合重復(fù)使用運(yùn)載器、無(wú)毒上面級(jí)、軌道推進(jìn)系統(tǒng)的使用要求,是未來(lái)航天運(yùn)載器理想的動(dòng)力裝置之一。
美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(United Launch Alliance, ULA)與藍(lán)色起源公司合作研制 250噸級(jí) BE-4 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī),作為宇宙神5火箭一級(jí)RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的替代方案和下一代部分重復(fù)使用火神運(yùn)載火箭主動(dòng)力的主要選擇之一[14]。目前,2017年5月發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證,10月完成首次全系統(tǒng)點(diǎn)火測(cè)試。BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)模裝外形如圖3所示。
隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為智慧水務(wù)戰(zhàn)略提供了先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ),“水十條”、《水污染防治法》等國(guó)家法律法規(guī)也為水務(wù)公司轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了重要的推動(dòng)力。但是也面臨著傳統(tǒng)機(jī)械水表更換為智能水表的巨額費(fèi)用、智慧水務(wù)需要持續(xù)性資金投入、農(nóng)村供水管道管網(wǎng)改造困難、企業(yè)管理人員思維方式轉(zhuǎn)換等方面的現(xiàn)實(shí)困難,而且國(guó)內(nèi)在智慧水務(wù)戰(zhàn)略實(shí)施中尚未出現(xiàn)具有開(kāi)創(chuàng)性的真正符合水務(wù)企業(yè)實(shí)際情況和實(shí)際管理需要的智慧水務(wù)整體解決方案和管控平臺(tái),因此,智慧水務(wù)戰(zhàn)略的規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)施需要持續(xù)性的探索與研究,水務(wù)公司也將在智慧水務(wù)探索中獲得更多的管理水平提升和轉(zhuǎn)型發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。
圖3 美國(guó)250噸級(jí)BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 250-ton BE-4 LOX/methane Engine of USA
俄羅斯開(kāi)展了基于模塊化設(shè)計(jì)的新一代聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭,計(jì)劃替代現(xiàn)有的聯(lián)盟號(hào)系列運(yùn)載火箭和質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭。聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭模裝如圖4所示。聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭將采用200噸級(jí)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī) RD-0162作為主動(dòng)力,同時(shí)也可以作為未來(lái)升力式重復(fù)使用火箭助推器動(dòng)力[15]。俄羅斯認(rèn)為,作為未來(lái)推進(jìn)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向,液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可以為未來(lái)重型、超重型以及低成本可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制鋪平道路,在傳統(tǒng)火箭和下一代可重復(fù)使用助推器之間建立了連通的橋梁。
歐洲明確提出了將液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)用于未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器和升級(jí)一次性運(yùn)載火箭的發(fā)展設(shè)想,開(kāi)展了200噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)伏爾加(Volga)的研究,作為未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭一級(jí)動(dòng)力[16]。Volga液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)模裝外形如圖 5所示。同時(shí),歐洲未來(lái)運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃(Future Launcher Preparatory Programme,F(xiàn)LPP)中未來(lái)的 3種火箭方案均考慮了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置,分別是采用200噸級(jí)Volga發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)重復(fù)使用火箭,采用 400噸級(jí)MX-4000發(fā)動(dòng)機(jī)的一次性使用運(yùn)載火箭,以及采用400噸級(jí)SE-12發(fā)動(dòng)機(jī)的部分重復(fù)使用運(yùn)載火箭。
圖5 歐洲200噸級(jí)Volga液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.5 200-ton Volga LOX/methane Engine of Europe
隨著更加快速、高效、低成本進(jìn)出空間的需求,由于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)以其高可靠、使用維護(hù)便捷、適于多次重復(fù)使用的綜合優(yōu)勢(shì),國(guó)外已將其作為低成本重復(fù)使用運(yùn)載器的主要?jiǎng)恿Πl(fā)展方向之一,廣泛開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究,并提出明確的型號(hào)發(fā)展與應(yīng)用方向。
中國(guó)利用50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)和研究平臺(tái),開(kāi)展了60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),完成了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)集成演示驗(yàn)證試驗(yàn),推力規(guī)模和試驗(yàn)參數(shù)為目前國(guó)際最高水平,開(kāi)辟了中國(guó)碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的新方向[17,18]。
以重復(fù)使用飛行器為應(yīng)用背景,進(jìn)一步開(kāi)展了重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究,突破了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、傳熱、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、核心組件重復(fù)使用等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),研制了一臺(tái)60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能樣機(jī),2016年,60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)先后進(jìn)行了13次、試驗(yàn)時(shí)間累積2103 s,其中10次為200 s的長(zhǎng)程試驗(yàn)考核,驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)核心組件與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù),體現(xiàn)了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在重復(fù)使用領(lǐng)域的能力和優(yōu)勢(shì)。60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)熱試過(guò)程如圖6所示。
小推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī),針對(duì)未來(lái)高性能、重復(fù)使用、低成本上面級(jí)動(dòng)力裝置的需求,開(kāi)展了 3噸級(jí)和8噸級(jí)高性能上面級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),為中國(guó)后續(xù)開(kāi)展載人登月、深空探測(cè)、多星軌道布署等空間活動(dòng)提供優(yōu)選的技術(shù)途徑。
圖6 中國(guó)60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)熱試Fig.6 Chinese 60-ton LOX/methane Hot-fire
目前,中國(guó)已基本突破了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù),初步形成液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)?zāi)芰Γ晒ρ兄屏酥貜?fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能樣機(jī)。甲烷和液氫同屬低溫推進(jìn)劑,特性相似,材料體系和加工工藝相近,液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)與氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)“同料加工、同線生產(chǎn)、同臺(tái)試驗(yàn)”,產(chǎn)品互換性強(qiáng),便于實(shí)現(xiàn)通用化,符合高可靠、低成本的發(fā)展趨勢(shì)。
相對(duì)于一次性運(yùn)載器用動(dòng)力裝置,重復(fù)使用運(yùn)載器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求,在發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平、工作壽命、使用維護(hù)性方面還需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作,才能滿足高效、重復(fù)使用技術(shù)要求。
目前的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仍以一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)為主,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用的檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)涉及較少,技術(shù)成熟度較低。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用維護(hù)技術(shù)研究分為:a)將檢測(cè)、維護(hù)便捷作為發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則之一,注重組件模塊化、通用化與互換性,保證發(fā)動(dòng)機(jī)可檢測(cè)性、維修可達(dá)性良好;b)在研制過(guò)程中,充分借鑒低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的和航空發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用維護(hù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重復(fù)使用維護(hù)技術(shù)研究,形成適用于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)方法、流程、準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。
為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的健康狀態(tài)管理,開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)健康檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究。系統(tǒng)分為機(jī)載和地面兩個(gè)部分,分別完成不同階段和不同功能重點(diǎn)的管理任務(wù):機(jī)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的、實(shí)時(shí)性高的在線自主健康管理,滿足故障檢測(cè)、識(shí)別、定位、評(píng)估、隔離與處理;地面系統(tǒng)充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)全面的、實(shí)時(shí)性要求不高的離線健康管理,實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測(cè)、維護(hù)保障策略、飛行數(shù)據(jù)記錄等。
推力調(diào)節(jié)是運(yùn)載器優(yōu)化飛行軌道、降低飛行過(guò)載的有效手段,同時(shí)也是增加發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性的重要措施。對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器,飛回發(fā)射場(chǎng)過(guò)程中,需要為火箭提供返場(chǎng)動(dòng)力,或落地時(shí)作為反推發(fā)動(dòng)機(jī),使運(yùn)載器安全著陸[19]。因此,重復(fù)使用火箭動(dòng)力必須具備較大范圍的推力調(diào)節(jié)能力,必須開(kāi)展大范圍變推力下的組件適應(yīng)性及控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[20]。液氧甲烷屬于非自然推進(jìn)劑,多次重復(fù)啟動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可采用火炬點(diǎn)火、激光點(diǎn)火或諧振點(diǎn)火等具備多次重復(fù)使用能力的點(diǎn)火方式,需要對(duì)點(diǎn)火參數(shù)和方案進(jìn)行深入研究[21]。
發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料和生產(chǎn)工藝,反映了結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和材料工藝水平的高低。為滿足運(yùn)載器對(duì)輕量化、低成本的技術(shù)要求,需開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、增材制造技術(shù)和三維快速成型技術(shù)等適用于重復(fù)使用的新材料/新工藝技術(shù)研究,以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低成本、重復(fù)使用的目標(biāo)。
目前,液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)框架仍基于一次性使用液體火箭動(dòng)力,尚未完全建立起適用于重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與評(píng)估的技術(shù)體系。后續(xù)需進(jìn)一步開(kāi)展重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究與虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究,以及基于可靠性的定量設(shè)計(jì)與評(píng)估方法研究,建立相對(duì)完整的重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和評(píng)估體系。
至2030年,中國(guó)航天發(fā)射整體仍呈大幅增漲趨勢(shì)。目前以60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建的重復(fù)使用飛行器運(yùn)載能力有限,難以滿足未來(lái)大規(guī)模進(jìn)出空間、利用空間需求。針對(duì)后續(xù)大/中型重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展要求,有必要開(kāi)展150~200噸級(jí)高性能液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究,進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能水平。
液氧甲烷推進(jìn)劑來(lái)源廣泛、成本低、無(wú)毒環(huán)保、性能較高。液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兼具液氫液氧和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),具有重復(fù)使用性能好、使用維護(hù)方便等特點(diǎn),綜合性能良好,更加適宜于重復(fù)使用、低成本運(yùn)載器的使用要求,是未來(lái)航天運(yùn)載器的理想液體動(dòng)力選擇之一。通過(guò)“十一五”、“十二五”的研究,中國(guó)已經(jīng)基本突破了重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù),驗(yàn)證了60噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能,開(kāi)辟了中國(guó)碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的新方向,契合了世界重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方向。為支撐未來(lái)重大航天運(yùn)輸活動(dòng)對(duì)可重復(fù)、高可靠、低成本動(dòng)力系統(tǒng)的需求,持續(xù)開(kāi)展并加強(qiáng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究,開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用研究,具有迫切需求和重大意義。