微信公眾號“ 西安航天動力研究所”9月13日消息，近日，由西安航天動力研究所自主研制的某型液氧煤油發(fā)動機(jī)首次實現(xiàn)重復(fù)飛行試驗驗證。該型發(fā)動機(jī)作為某飛行器主動力裝置參加首飛試驗后，經(jīng)檢測維護(hù)，再次裝配并順利完成了重復(fù)飛行試驗，國內(nèi)首次實現(xiàn)了液體火箭動力的重復(fù)使用。

起步：設(shè)計之初考慮多次工作要求

液體火箭發(fā)動機(jī)作為航天運載器的主要動力裝置，功能全、性能高、技術(shù)難度大、研制周期長，液體火箭發(fā)動機(jī)的可重復(fù)使用技術(shù)，對可重復(fù)使用航天運載器至關(guān)重要。

20世紀(jì)80年代，美國的航天飛機(jī)計劃取得成功，實現(xiàn)了部分重復(fù)使用的目標(biāo)，雖然航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)（SSME）進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，但該發(fā)動機(jī)在實際工作中遠(yuǎn)未達(dá)到55次飛行的設(shè)計目標(biāo)，且重復(fù)使用過程中維護(hù)檢測流程復(fù)雜，成本高昂，2011年SSME隨航天飛機(jī)退役。進(jìn)入新世紀(jì)，美國私營企業(yè)SpaceX的火箭垂直起降回收技術(shù)引人關(guān)注，2015年底至2016年初，成功完成了陸上發(fā)射場回收和海上平臺回收，代表了可重復(fù)使用運載器的最新進(jìn)展。

液氧煤油發(fā)動機(jī)是我國新一代運載火箭的主要動力裝置，具有高性能、大推力、無毒無污染等優(yōu)點。該發(fā)動機(jī)從設(shè)計之初，部組件方案及總體布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，地面研制試驗實現(xiàn)了單臺發(fā)動機(jī)不下臺重復(fù)試車8次。

“十三五”期間，我所預(yù)先開展了液氧煤油發(fā)動機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了大量理論和試驗研究成果，為液氧煤油發(fā)動機(jī)重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。

攻關(guān)：重復(fù)使用五大關(guān)鍵技術(shù)

由于天地工作環(huán)境的差異性及各種保障條件的限制，液氧煤油發(fā)動機(jī)飛行重復(fù)點火與地面試驗重復(fù)點火不能簡單劃等號，飛行力、熱等環(huán)境條件也更加惡劣，因此液氧煤油發(fā)動機(jī)重復(fù)使用需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題更多，主要有以下幾個方面：

一、多次點火技術(shù)

采用垂直起降的航天運載器都需要發(fā)動機(jī)具備多次點火能力，像SpaceX公司開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)采用了綠色、環(huán)保的推進(jìn)劑組合，可在一次點火工作后進(jìn)行吹除處理后，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)重復(fù)點火工作，技術(shù)上具有重復(fù)使用能力。但航天運載器飛行時，無法實現(xiàn)和地面試驗相同的吹除等保障條件，同時由于低溫發(fā)動機(jī)點火準(zhǔn)備階段需對低溫系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先預(yù)冷，所以點火準(zhǔn)備期的流程和地面也有較大差異。對于補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機(jī)，這些制約條件將更加凸顯，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行技術(shù)研究，優(yōu)化發(fā)動機(jī)點火準(zhǔn)備階段的預(yù)冷流程，簡化發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后至點火前的吹除處理方案。

目前，我國補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機(jī)已在地面試驗實現(xiàn)了不間斷三次點火起動，摸索出了重復(fù)點火工作間的吹除處置和預(yù)冷方法。

二、大范圍變推力技術(shù)

垂直起降的航天運載器在返回過程中，由于推進(jìn)劑剩余量逐漸減少，運載器重量越來越輕，需要發(fā)動機(jī)具備大范圍推力調(diào)節(jié)能力，才能實現(xiàn)減速或地面軟著陸。要實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的大范圍變推力，需設(shè)置調(diào)節(jié)元件和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，同時對調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率有要求。另外，工作條件的大范圍變化對發(fā)動機(jī)推力室等熱力組件及渦輪泵等主要組件的工作適應(yīng)能力提出了很高要求。

我國液氧煤油發(fā)動機(jī)具備無級推力調(diào)節(jié)能力，通過地面試車進(jìn)行充分驗證，其中推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和大范圍推力調(diào)節(jié)能力在新一代長征八號運載火箭上實現(xiàn)了飛行驗證。

三、力、熱防護(hù)技術(shù)

與一次性使用運載器相比，重復(fù)使用運載器不僅要求發(fā)動機(jī)在上升段工作，而且返回段也要再次點火工作用于運載器減速或著陸，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(fā)動機(jī)進(jìn)行力、熱防護(hù)技術(shù)研究。另外，非工作段部分貫通內(nèi)腔的接口也需要考慮返回段外界氣壓的變化進(jìn)行正壓或反向密封保護(hù)。

某飛行器試驗的成功，初步驗證了液氧煤油發(fā)動機(jī)對重復(fù)使用飛行力、熱載荷條件及免維護(hù)防護(hù)措施的有效性。

四、重復(fù)使用狀態(tài)評估技術(shù)

為了實現(xiàn)發(fā)動機(jī)重復(fù)使用工作的可靠性，需要對返回后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)評估，用于判定發(fā)動機(jī)是否具再次飛行的能力，特別是對工作條件惡劣的熱力組件熱疲勞、轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)應(yīng)力疲勞開展專項研究。另外，發(fā)展并采用在線實時健康診斷技術(shù)，實現(xiàn)飛行階段發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的健康監(jiān)測或采用動力冗余運載器的彈道重構(gòu)。

國內(nèi)液體火箭發(fā)動機(jī)地面故障診斷系統(tǒng)在液氧煤油發(fā)動機(jī)研制試驗中應(yīng)用較早，技術(shù)成熟。2022年3月在新一代長征六號甲運載火箭上首次實現(xiàn)了飛行健康監(jiān)控系統(tǒng)的實戰(zhàn)應(yīng)用。通過液體動力健康診斷相關(guān)技術(shù)研究，液氧煤油發(fā)動機(jī)在試車或飛行后狀態(tài)評估技術(shù)方面也開展了大量研究工作。

五、重復(fù)使用檢測維護(hù)技術(shù)

為了實現(xiàn)低成本，體現(xiàn)出發(fā)動機(jī)重復(fù)使用的價值，要求對返回后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行的檢測項目越少越好，維護(hù)越簡單越好，這與發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)評估是一對矛盾體，需要開展深入研究，在健康狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上盡量簡化檢測維護(hù)方案，最終實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的低成本、短周期快速檢測維護(hù)。

液氧煤油發(fā)動機(jī)通過發(fā)射場使用維護(hù)簡化研究及重復(fù)使用相關(guān)維護(hù)處理技術(shù)研究，實現(xiàn)操作維護(hù)項目大幅度精簡，首次實現(xiàn)低溫火箭液氧加注后無人值守功能驗證。

展望：為完全重復(fù)使用積累了寶貴經(jīng)驗

為了實現(xiàn)發(fā)動機(jī)短周期處理再次交付飛行，研制團(tuán)隊在液氧煤油發(fā)動機(jī)重復(fù)使用技術(shù)課題研究的基礎(chǔ)上，針對性地制定了發(fā)動機(jī)檢測維護(hù)方案，做到了短期快速處理交付原機(jī)，初步實現(xiàn)了液氧煤油發(fā)動機(jī)重復(fù)使用。

隨著人類對太空探索的深入開展，宇航動力技術(shù)開始進(jìn)入創(chuàng)新發(fā)展和規(guī)?；l(fā)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(jìn)入太空。主要航天國家和地區(qū)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(fā)射任務(wù)。主要航天國家大力發(fā)展重型運載火箭，為滿足未來執(zhí)行載人登月及探火、大規(guī)模深空探測等任務(wù)需求；不斷推動可重復(fù)使用運載器的工程化應(yīng)用，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證。基于前期關(guān)鍵技術(shù)驗證和雄厚的專業(yè)基礎(chǔ)，美俄等主要國家下一代火箭動力產(chǎn)品進(jìn)入整機(jī)試車階段，為其新型航天運輸工具提供先進(jìn)動力基礎(chǔ)。

所長張曉軍表示：“我國液氧煤油發(fā)動機(jī)首次重復(fù)飛行成功，標(biāo)志著發(fā)動機(jī)重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)入實戰(zhàn)階段，我們將進(jìn)一步關(guān)注發(fā)動機(jī)的高可靠性、低成本、高性能，持續(xù)開展可重復(fù)使用技術(shù)探索，為我國快速大規(guī)模進(jìn)出太空空間提供堅強動力保障?！?