運載火箭發動機技術的最新進展

運載火箭發動機技術的最新進展

作者：才滿瑞

來源：中國航天


在運載火箭中，發動機是最主要的分係統。它甚至可以決定整個火箭的性能和成本。本文簡要介紹了國外新研製的幾種大推力發動機和上麵級發動機的最新情況。這些發動機的研製思想和性能參數對我國運載火箭的發展具有很好的借鑒作用。

　　2005年之前，在全球航天發射市場上將湧現出一批新型運載火箭，它們是美國的德爾它4係列和宇宙神5係列（均已投入使用）、歐空局的阿裏安5改進型、日本的H－2A係列（已進行過5次發射）和俄羅斯的安加拉係列。這些新研製的運載火箭係列都非常重視大推力、無毒和無汙染火箭發動機的研製，以用作芯級主發動機，如用於德爾它4火箭的RS－68、用於宇宙神5的RD－180、用於阿裏安5改進型的“火神”2、用於H－2A的LE－7A以及用於安加拉火箭的RD－191M發動機。這些火箭的芯級往往都使用一台主發動機。發動機在設計時充分考慮成本因素，盡可能簡化設計，並減少發動機的零部件數量。有些發動機還設計有節流能力，可適用於多種火箭型號。

　　上麵級發動機也在向著低溫方向發展，因為低溫發動機可有效地提高火箭的運載能力。使用可貯存推進劑的上麵級發動機正在逐步被使用液氫/液氧推進劑的發動機所取代。一些國家正在采用現有技術或新研製的上麵級發動機來提高火箭的發射能力。

　　一、主發動機技術

　　1.“火神”2發動機

　　為了增加阿裏安5火箭的有效載荷發射能力，必須增大“火神”發動機的推力，提高發動機的混合比。基於這種考慮，歐空局於1995年決定由“火神”發動機的主承包商斯奈克瑪發動機公司負責研製“火神”2發動機。
　　“火神”2發動機同“火神”發動機一樣，仍采用結構簡單的燃氣發生器循環技術。不同之處是通過略微增加貯箱壓力使液氧的流量比“火神”發動機增加了23％，混合比從5.35提高到6.2。推進劑質量從155t增加到174t。發動機的真空推力從“火神”的1145kN增加到“火神”2的1350kN。為了適應這樣的變化，設計“火神”2發動機時，重新設計了液氧渦輪泵、推力室、噴管和燃氣控製閥，而燃氣發生器、液氫渦輪泵和燃氣發生器控製閥隻進行了小幅改動，其他元件和子係統間的主要接口與“火神”發動機相同。

　　為了降低生產成本，根據“火神”發動機已經取得的經驗采取了有針對性的措施，如渦輪泵組件廣泛采用精鑄部件來替代焊接件或螺栓連接件，噴注器的設計也得到了簡化，取消了噴注器頭上的隔板，相應地同隔板疊放在一起的12個柱型墊圈也被12個噴注元件所代替。因此，盡管“火神”2發動機推力增加20％，但發動機的生產成本卻比“火神”發動機低。斯奈克瑪發動機公司共研製了6台發動機試驗樣機，用於進行100次試驗，總的試驗時間達40000s。2002年12月11日阿裏安5E火箭首次發射時，“火神”2發動機已投入使用。但這次飛行因實際飛行載荷超出規定導致“火神”2發動機噴管排泄冷卻管路破裂而失敗。

　　“火神”2發動機和其他型號主發動機的性能參數見表1。

　　2.LE－7A發動機

　　LE－7A發動機是日本宇宙開發事業團於1994年開始研製的。它以LE－7發動機（用於H－2火箭）為基礎，主要用於H－2A係列運載火箭。LE－7A的推力比LE－7高2％，達1100kN（真空），無節流情況下的工作時間達390s，比衝為4312 N·s/kg。
　　LE－7A發動機仍采用液氫/液氧分級燃燒循環（與美國航天飛機主發動機一樣）。與燃氣發生器循環相比，分級燃燒循環產生的燃氣溫度高，壓力大，因而在研製過程中遇到了許多技術問題，並使LE－7A的研製周期推遲了兩年。
　　對LE－7發動機改進的主要目的是提高可靠性和降低生產成本。重點放在改進發動機結構和組件安排上，以更便於製造或檢測，並獲得較好的振動特性。對焊接結構進行了重新設計，以減少焊點數量。硬件安排力求簡單、緊湊，以減少零部件數量。表2給出了LE－7A發動機組件的改進措施。

　　3.RD－180發動機

　　RD－180是目前世界上最為先進的分級燃燒循環液氧/煤油發動機。該發動機被選定用於由國際發射服務公司經銷的宇宙神3和宇宙神5運載火箭。

　　RD－180是俄羅斯動力機械製造科研生產聯合體於1994～1995年開始在RD－170和RD－171發動機（用於能源號和天頂號運載火箭）的基礎上研製的，1996年被洛克希德·馬丁公司選定用於宇宙神3運載火箭。RD－180發動機有兩個推力室，由一個富氧燃燒預燃器驅動公用渦輪泵。RD－180有70％左右的組件都與RD－170相同，顯著降低了研製新型發動機的成本，縮短了研製周期。由於RD－170發動機已經過了1000000多秒的熱試車，因此RD－180發動機的研製風險較低。

　　RD－180發動機的推力範圍為1650～4150kN，節流能力為47％～100％。由於其最大推力較高以及節流範圍較寬，簡化了宇宙神3和宇宙神5火箭係統的設計。宇宙神3火箭在起飛時隻需約74％的推力水平，而宇宙神5係統則需要100％的推力水平。一台發動機有多種用途，因而降低了研製費用，而且高生產率也降低了生產和使用成本。

　　到1999年中，RD－180發動機完成了用於宇宙神3火箭的熱試車鑒定，後又進行了用於宇宙神5的驗證試驗。

　　2000年5月24日，新型宇宙神3A運載火箭成功地進行了首次發射，新的RD－180發動機工作良好。發動機在74％～92％的推力範圍內節流。這種獨特的調節能力對於給定任務可使火箭飛行軌跡最佳，使推進劑利用更為有效。2002年8月，這種發動機又成功地用於宇宙神5的首次發射。

　　4.RS－68發動機

　　RS－68發動機是美國洛克達因公司為德爾它4係列火箭研製的。它是美國自航天飛機主發動機（SSME）以來研製的第一個大型液體氫氧火箭發動機。RS－68采用燃氣發生器循環，設計上力求簡單和低成本，顯著減少了零部件數量。該發動機通過地麵試驗後，已在2002年11月成功用於德爾它4運載火箭的首次發射。

　　二、上麵級發動機技術

　　國外對運載火箭的上麵級發動機技術也非常重視，因為上麵級發動機的設計同樣影響整個火箭的運載能力、成本和可靠性。不過各國采取的發展途徑有所不同。

　　美國的德爾它4和宇宙神5是充分利用本國已有的低溫上麵級發動機技術，同時進行一些改進，包括采用某些新技術（如機電作動器）。這樣可以最大限度地降低研製費用和風險。

　　日本H－2A係列火箭的上麵級實際上就是火箭的二子級。這種火箭隻有在發射高軌道衛星時才使用二子級，而在執行近地軌道發射任務時不用二子級。H－2A的二子級發動機LE－5B是在LE－5A發動機（用於原來的H－2火箭）的基礎上研製的，使用液氫/液氧推進劑。為了降低生產成本，對LE－5A發動機進行了重新設計，將發動機循環方式從噴管延伸段部分膨脹循環變為燃燒室部分膨脹循環。通過簡化設計，發動機的零部件數量從208個減少到了127個。

　　安加拉大型運載火箭的上麵級打算與質子號和天頂號火箭共享發動機技術，即采用“和風”M上麵級。這種上麵級仍采用傳統的可貯存推進劑。俄羅斯還打算研製一種使用低溫推進劑的KVRB發動機，用於以後的安加拉火箭。

　　值得重視的是，歐洲阿裏安5運載火箭為了提高運載能力，一直在不斷地改進上麵級發動機技術。目前阿裏安5火箭的EPS上麵級使用可貯存推進劑。歐空局一方麵通過增加推進劑加注量、調整發動機點火時間和延長發動機噴管長度等措施來提高阿裏安5運載火箭的運載能力（改進型EPS上麵級將用於阿裏安5G和阿裏安5E/SV火箭），另一方麵還在加緊研製使用低溫推進劑的ESC－A和ESC－B上麵級。下麵簡要介紹這兩種上麵級所采用的發動機技術（表3）。

　　1.ESC－A上麵級發動機

　　ESC－A上麵級所采用的發動機取自阿裏安4火箭三子級H10中的HM－7B發動機，使用液氫/液氧推進劑。這種發動機已經過數十次發射的實踐檢驗，以它為基礎進行研製可以有效地縮短研製周期，並可以滿足歐洲近期的發射需求。
　　HM－7B發動機采用燃氣發生器循環工作方式，隻能點火一次。為了增大火箭的運載能力，ESC－A上麵級所攜帶的推進劑質量比H10有所增加，達到14t，發動機的混合比為5。由於推進劑的增加，ESC－A上使用的HM－7B發動機工作時間要比阿裏安4火箭有顯著的延長，延長量達25％（約150s）。發動機改進後，還要適應新動力學環境、新級間環境和不同地麵操作的影響。采用ESC－A低溫上麵級的阿裏安5E/CA火箭的地球同步轉移軌道運載能力達到10?5t（單星），而阿裏安5E/SV的地球同步轉移軌道運載能力是8t。如上所述，阿裏安5E/CA 2002年12月11日進行了首次發射，但沒有成功。

　　2.ESC－B上麵級發動機

　　為了進一步提高阿裏安5火箭的地球同步轉移軌道運載能力，1998年6月歐空局決定研製全新的低溫上麵級發動機，即“芬奇”發動機。“芬奇”仍采用液氫/液氧推進劑，但推進劑的加注量較ESC－A上麵級發動機有較大提高，從14t增加到25t。發動機的真空推力從63kN顯著增加到180kN，真空比衝也有一定的增加。為此，“芬奇”發動機選擇了膨脹循環方式，並采用可延伸噴管。采用膨脹循環方式使得渦輪溫度較低，無需發生器，在管路中不會存在水蒸氣。這就提高了發動機的性能和可靠性，降低了研製風險。“芬奇”發動機與HM－7B發動機不同，具有1～5次的重新點火能力。

　　“芬奇”發動機是從1999年開始由斯奈克瑪公司研製的，在計劃的一開始就按低成本、高性能、多次點火和高可靠性進行設計，盡量采用經過實踐證明的技術，以降低研製風險。“芬奇”發動機采用與HM－7B相同的燃燒室外部結構，但做了顯著加長，以滿足膨脹循環所需的熱動力學性能要求。無論是燃料渦輪泵還是氧化劑渦輪泵都采用整體導流葉輪，使淨正抽吸壓力（NPSP）較低，無需增壓泵來保持可接受的貯箱壓力水平。發動機采用冗餘的電火花點火係統，以提高可靠性。

　　燃料和氧化劑渦輪泵第一次采用以粉末冶金工藝生產的葉輪，泵殼體采用一次成型的精鑄件，節省了生產成本，也減少了零部件數量。

　　采用“芬奇”發動機後，阿裏安5改進型的地球同步轉移軌道運載能力可達12t。根據研製計劃，最初將先生產7台發動機，其中2台用於鑒定。預計該型發動機將在2005年的阿裏安5E/CB火箭上進行首次飛行。

三、結束語

　　研製新型火箭發動機主要是為了提高運載火箭的運載能力、降低發射成本和提高可靠性。新型發動機在設計時要充分考慮成本因素，簡化設計。目前，主發動機技術正朝著使用無毒、無汙染的液氫/液氧和液氧/煤油推進劑的方向發展，上麵級發動機技術也正逐步由液氫/液氧推進劑來取代可貯存推進劑。