近日，我國自主研制的某型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)成功完成重復(fù)飛行試驗(yàn)。由此，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用，標(biāo)志著我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

放眼全球，隨著可重復(fù)使用火箭技術(shù)日益成熟，技術(shù)難點(diǎn)被逐步攻克，各國已掀起新一輪發(fā)展熱潮。那么可重復(fù)使用的液體火箭目前有哪些型號(hào)？未來發(fā)展趨勢(shì)又會(huì)是怎樣呢？

回收復(fù)用難關(guān)多

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天運(yùn)載器的主要?jiǎng)恿ρb置，具有性能高、任務(wù)適應(yīng)強(qiáng)、技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，堪稱航天運(yùn)載器上最復(fù)雜的產(chǎn)品之一。因此，液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)載器重復(fù)使用所必須突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

獵鷹9火箭第一級(jí)與第二級(jí)分離示意圖（源自網(wǎng)絡(luò)）

具體來說，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)想實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，需要突破多次啟動(dòng)、低入口壓力啟動(dòng)、大范圍推力調(diào)節(jié)、狀態(tài)評(píng)估檢測(cè)及健康管理、快速簡(jiǎn)化處理、高溫組件結(jié)構(gòu)抗疲勞壽命評(píng)估及延壽、全任務(wù)復(fù)雜力熱環(huán)境預(yù)示及控制等關(guān)鍵技術(shù)，其研制難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)上一次性使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

在世界主要航天強(qiáng)國中，美國在可重復(fù)使用火箭動(dòng)力領(lǐng)域的科研實(shí)力最雄厚，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也最豐富。早在20世紀(jì)80年代，美國就已經(jīng)成功研制了能夠重復(fù)使用的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并作為航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)。

航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氫液氧推進(jìn)劑，3臺(tái)總共提供600多噸的推力，而且推力可在65%~109%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣設(shè)計(jì)是為了讓航天飛機(jī)在點(diǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)減少推力，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)入軌速度的精確控制。

2011年航天飛機(jī)退役之后，美國商業(yè)航天新勢(shì)力承擔(dān)起“重復(fù)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(shí)現(xiàn)了入軌級(jí)運(yùn)載火箭第一級(jí)回收與重復(fù)使用。

2015年12月，獵鷹9火箭首次陸地成功回收一子級(jí)。2017年3月，獵鷹9火箭一子級(jí)首次重復(fù)使用發(fā)射。截至2022年9月，該火箭成功回收一子級(jí)130多次，單枚火箭一子級(jí)復(fù)用次數(shù)最多達(dá)14次，發(fā)射強(qiáng)度之高、可靠性和經(jīng)濟(jì)性之顯著都令人驚嘆。

成就獵鷹9火箭的技術(shù)基礎(chǔ)是9臺(tái)并聯(lián)的梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)是專門為可重復(fù)使用火箭設(shè)計(jì)的，采用了液氧煤油推進(jìn)劑，單臺(tái)海平面推力87噸，比沖275秒，具備多次點(diǎn)火能力。

與傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)最特殊的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了在39%~100%范圍內(nèi)推力調(diào)節(jié)，9臺(tái)并聯(lián)則能實(shí)現(xiàn)總推力在4.3%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，為火箭回收和重復(fù)使用奠定了堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力基礎(chǔ)。

獵鷹重型火箭的2枚助推器降落回收

此外，梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)還被應(yīng)用于獵鷹重型火箭，由27臺(tái)并聯(lián)構(gòu)成了第一級(jí)，成就了這款現(xiàn)役運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)63噸。自2018年以來，獵鷹重型火箭已成功發(fā)射3次，但回收工作不是很順利，可見液體火箭動(dòng)力回收和重復(fù)使用的復(fù)雜性。

群雄爭(zhēng)鋒迎挑戰(zhàn)

縱覽各國，液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用技術(shù)吸引著眾多航天業(yè)者投身其中，不惜挑戰(zhàn)更大的難關(guān)，追求更高的指標(biāo)。

據(jù)公開資料顯示，我國某型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)于2021年作為某飛行器主動(dòng)力裝置參加了首飛試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)維護(hù)后，近日成功參加了重復(fù)飛行試驗(yàn)任務(wù)。

此外，我國已曝光了多款液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)回收方案和重復(fù)使用航天器計(jì)劃，使用不同的推進(jìn)劑和構(gòu)型。一些發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試取得進(jìn)展的新聞報(bào)道也證實(shí)，我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)正在穩(wěn)步推進(jìn)。

美國SpaceX公司正在全力研發(fā)“星艦”，其近地軌道運(yùn)力達(dá)到160噸級(jí)。同步推進(jìn)的項(xiàng)目則是代號(hào)“猛禽”的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，其最新型號(hào)的海平面推力達(dá)300噸，比沖334秒，能夠?qū)崿F(xiàn)在20%~100%范圍內(nèi)推力調(diào)節(jié)。

“猛禽”難度最大、潛力最優(yōu)的指標(biāo)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(fā)動(dòng)機(jī)——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(dá)到了107:1，后續(xù)提升空間仍然很大。

“星艦”第一級(jí)并聯(lián)33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，“星艦”第二級(jí)已多次完成有限高度試飛，并聯(lián)33臺(tái)“猛禽”的第一級(jí)很快將進(jìn)行全面點(diǎn)火測(cè)試，推動(dòng)“星艦”盡早嘗試首次入軌發(fā)射。

美國藍(lán)色起源公司也成功研制了可重復(fù)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(fā)射失敗前，成功飛行21次，并執(zhí)行了6次載人飛行任務(wù)。新謝潑德火箭目前只能亞軌道飛行，使用BE-3液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而藍(lán)色起源公司正在研發(fā)BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力超過“猛禽”，計(jì)劃用于新格倫火箭，開展入軌發(fā)射業(yè)務(wù)。

美國可重復(fù)使用火箭嚴(yán)重?cái)D壓了俄羅斯和歐空局傳統(tǒng)火箭的市場(chǎng)份額，迫使俄、歐也重視研發(fā)可重復(fù)使用火箭及其液體發(fā)動(dòng)機(jī)。

阿穆爾火箭是俄羅斯開發(fā)的可重復(fù)使用兩級(jí)中型火箭，預(yù)計(jì)將于2026年從東方航天發(fā)射場(chǎng)首飛。按設(shè)計(jì)，該火箭第一級(jí)可重復(fù)使用10次，并聯(lián)5臺(tái)RD-0169液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。在重復(fù)使用第一級(jí)時(shí)，阿穆爾火箭預(yù)計(jì)能將9.5噸載荷送入近地軌道，在一次性使用時(shí)，近地軌道運(yùn)載能力約12噸。

歐空局正在測(cè)試普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)

歐空局在阿里安6火箭的基礎(chǔ)上規(guī)劃了可重復(fù)使用火箭，第一級(jí)將采用7臺(tái)或9臺(tái)普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。論證中的火箭構(gòu)型直徑分別為5.4米和4.6米，可捆綁液體助推器，進(jìn)一步增大運(yùn)載能力。

三足鼎立新趨勢(shì)

可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的出現(xiàn)，深遠(yuǎn)地改變了世界航天運(yùn)輸領(lǐng)域的格局和發(fā)展方向。液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)追求可重復(fù)使用，兼顧低成本和高可靠性，已經(jīng)成為各國研發(fā)新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的共識(shí)。

那么未來的液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)選擇什么推進(jìn)劑呢？從發(fā)展趨勢(shì)來看，液氧甲烷似乎成為新一代可重復(fù)使用火箭動(dòng)力系統(tǒng)的主流選擇。因?yàn)橐貉跫淄橥七M(jìn)劑具備比沖高、成本較低、清潔環(huán)保、維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合發(fā)動(dòng)機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)和重復(fù)發(fā)射，本身也便于在太空中長(zhǎng)期貯存，能有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量。尤其是近年來越來越熱門的地球與火星往返任務(wù)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)有可能從火星原位資源利用試驗(yàn)中受益，潛力巨大。

液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試車

不過，液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的高比沖、液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的高可靠性等優(yōu)勢(shì)仍不容忽視，在某些任務(wù)中是不可或缺的，所以可重復(fù)使用液體火箭的技術(shù)路線有可能呈現(xiàn)三足鼎立的格局。

隨著可重復(fù)使用火箭在未來逐漸成為主流，現(xiàn)有液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)、制造、維護(hù)保障也面臨變革。從效益出發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)有可能采用更多高強(qiáng)度、低重量的新型材料，創(chuàng)新低成本快速制造工藝，而快速多次啟動(dòng)性能也成為發(fā)動(dòng)機(jī)的新需求。

總之，液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用優(yōu)勢(shì)明顯，前途光明，不僅能降低航天發(fā)射成本，更好地服務(wù)于生產(chǎn)生活，更有望開拓航天探索的新領(lǐng)域。