潮科技 | 国内商业航天动力发展如何？这里有一份技术路线研究报告
图 | pixabay
编者按：文章来自投稿，作者系北京宇航推进科技有限公司邓智勇
摘要：全球正在进入大航天时代，太空资源的占有率已成为衡量一个国家未来发展潜力的重要指标。商业航天以其快速、低成本、商业化等特点登上历史舞台，并呈现出旺盛的生命力。制约我国商业航天发展的重要瓶颈是液体火箭动力，通过对各动力路线的比较、分析，提出了适合我国国情的技术途径，并给出发展建议。
关键词：商业航天 运载火箭 动力
一 前言
商业航天已成为众多航天国家的战略选择。据美国航天基金会数据显示，2020年，全球航天产值将达到4850亿美元；2040年，全球航天产值预计将达1.1万亿美元，而商业航天占比将达80%以上甚至更高。全球正在进入一个崭新的大航天时代，太空资源的占有率，已成为一个国家发展潜力的重要衡量指标。
美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度等国均出台政策，鼓励商业航天的发展。由数千颗、数万颗卫星组成的大型星座计划争相出现，航天发射市场将迎来空前的高密度发射期。以美国太空探索公司（SpaceX）为代表的商业火箭公司登上历史舞台，成为航天发射市场的一支新兴力量，并呈现出旺盛的生命力。
自2015年起，我国商业航天进入快速发展的阶段。在社会资本的助推下，商业卫星公司、火箭公司纷纷涌现。据不完全统计，我国目前已公开的商业火箭公司近20家。“发展航天，动力先行”，制约我国商业航天发展的最大痛点是火箭动力的问题。
固体火箭具有系统简单、发射准备周期短、发射点选择灵活等特点，特别是可以通过外协外购等方式快速获取固体发动机，许多火箭公司早期采取小型固体火箭进行亚轨道或入轨发射的策略，以期快速打通发射环节，对火箭总体技术进行初步验证，从而快速融资获取资本助力。但是，由于固体火箭涉及的贮运安全、生产资质、成本控制、盈利空间等问题很难解决，各火箭公司均规划了液体火箭的发展路线。
近年来，火箭重复使用技术的突破与工程应用，使得航天运载成本大幅降低，液体火箭优势突显。如何选择绿色环保、低成本、可重复、具有先进性的液体火箭发动机，已成为商业火箭公司不可回避的问题。
二 航天动力发展现状与趋势
真正的运载火箭出现于第二次世界大战时期的德国，V-2导弹是最典型的代表，发动机采用液氧/酒精液体推进剂，起飞推力27.2吨，300公里射程可携带炸药980公斤。
图1 V-2导弹发动机
V-2导弹作为许多现代液体运载火箭的蓝本，拉开了人类星际航行的序幕。此后，多种液体运载火箭快速出现，从初期解决进入空间问题到现在不断追求更大的运载能力、降低进入空间成本等方向发展。液体运载火箭中，发动机成本占比约40%~60%，是火箭的核心部件之一，对于运载火箭的系统复杂度、运载能力、任务适应性、产品成本等均有较大影响。动力路线选择主要从三方面考虑：即推进剂类型、推进剂的输送方式、以及泵压式系统的循环方式。以下分别进行讨论。
1.推进剂类型
航天领域对液体推进剂的探索从未停止，高能量、宜使用、低成本是运载火箭选择推进剂最主要考虑的因素。自前苏联1957年10月4日成功发射世界上第一颗人造地球卫星当今，推进剂的种类得到了极大的丰富，有肼类、过氧化氢等单组元推进剂，有可贮存的硝基氧化剂与肼类燃料双组元推进剂，也有低温高性能的液氧/液氢、液氧/煤油推进剂。多组元推进剂、凝胶推进剂等新型推进剂的研究也在不断深入，但由于系统复杂度、工艺稳定性等原因尚未开始工程应用。
近年来，随着液体甲烷制备与应用的不断普及，液氧/甲烷推进剂引起航天界的高度重视。SpaceX公司的Raptor发动机、Blue Origin的BE-4发动机，我国商业火箭公司星际荣耀“焦点”系列发动机、蓝箭航天“天鹊”系列发动机，专业发动机公司宇航推进的“沧龙”系列发动机均采用液氧/甲烷推进剂。液氧/甲烷以其取材便利、成本低廉、不易结焦积碳、适宜星际航行等诸多特点，成为商业火箭动力的首选。
单组元推进剂性能较低，硝基氧化剂与肼类燃料有毒性，液氧/液氢推进剂性能优异但系统复杂，成本较高。因此，业内普遍认为适应商业运载火箭的推进剂主要从液氧/煤油、液氧/甲烷两种组合中选择。表1是液氧/煤油和液氧/甲烷发动机理论性能比较。
表1
可见，液氧/甲烷发动机性能占优、不易结焦、甲烷成本仅为煤油的1/5，但甲烷密度稍低，在同等加注量的情况下，采用甲烷燃料贮箱稍大。欧空局曾以阿丽亚娜6为原型进行两型火箭的构型论证，结论是用液氧/甲烷较液氧/煤油火箭起飞重量低约14%。
由于液氧/甲烷推进剂的优异性能，受到航天界普遍追捧，SpaceX公司新一代Raptor发动机没有在其上一代Merlin液氧/煤油基础上进行改进升级，而是选择了液氧/甲烷路线。美国新一代运载火箭“火神”一级主动力也放弃了洛克达因公司AR-1液氧/煤油发动机，Blue Origin公司的液氧/甲烷发动机BE-4成功入围，以上两个经典案例，有力佐证了液氧甲烷相对于液氧煤油的综合优势。
综上所述，同时考虑到我国煤油品质较低，以及航天煤油产能局限，我国商业运载火箭应首选液氧/甲烷发动机。
图2 推进剂供应方式
2.推进剂供应方式
推进剂供应系统的功能主要包括两个方面，即提供推进剂压力和将推进剂输送到推力室，供应方式的选择对动力系统性能和结构质量均有较大影响。推进剂供应方式一般分为挤压式和泵压式，也可以是组合供应。
图3 推进剂供应方式
挤压式供应方式通常通过气瓶内贮存的高压气体经过减压后，直接挤压推进剂贮箱内的液体推进剂，提供输送动力。由于没有高速旋转的涡轮泵、驱动涡轮的燃气发生器等装置，挤压式系统比较简单，但气瓶、贮箱承压较高，结构质量较大，一般相差约10~40倍。
通常，当总冲或推进剂量相对较小、室压较低、需要多次启动工作情况下，采用挤压式供应方式优于泵压式供应方式；当总冲较大、室压较高时，采用泵压式供应方式性能较好。文献[3]中对两种系统进行了计算分析，结论为：当推进剂消耗量为150kg以下时，采用挤压供应方式与泵压供应方式重量相当，结构简单、可靠；当推进剂消耗量大于150kg时，则泵压式供应方式结构质量有明显优势。
3.发动机循环方式
泵压式供应系统按推进剂介质流程不同分为开式循环和闭式循环两类，开式循环中涡轮废气经排气管排放至发动机外，或引入推力室下游与燃气流膨胀后排出；闭式循环则将涡轮排气导入推力室再燃烧。图4为泵压式供应系统典型循环方式示意图。
图4 发动机循环方式
燃气发生器循环涡轮驱动能量来自于燃气发生器，采用低混合比以避免涡轮叶片承受高温。补燃循环中，燃料先进入预燃室与部分氧化剂进行燃烧产生燃气驱动涡轮，然后将涡轮排气导入燃烧室与其余氧化剂进行补充燃烧经喷管膨胀排出，这使得涡轮泵功率大幅提高。膨胀循环则将大部分燃料供给涡轮，然后进入燃烧室，在燃烧室内完全燃烧并通过喷管膨胀后排出，所以比冲较高。三种循环方式中，燃气发生器循环系统最为简单，由于涡轮排气的能量未能充分利用，发动机比冲有所降低，通常约1~5%。美国RS-68火箭发动机采用燃气发生器循环，是迄今为止最大的氢氧发动机。文献[3]中对各种循环方式进行了论述，认为重复使用的发动机应根据工作次数和工作寿命，重点考虑系统压力低的燃气发生器循环和补燃循环。
三 问题讨论
1.总体与分系统
运载火箭是一个复杂的系统工程，涉及总体、弹道、制导、姿控、控制与测量、结构与分离、动力、气动、载荷与环境、发射支持等各个专业，总体技术实力的强弱是火箭公司成败的关键。SpaceX作为全球商业航天的领跑者，机缘巧合，九死一生实现了全产业链布局，但不具有普遍意义，许多航天创业公司纷纷效仿，意图打造中国版的SpaceX，从总体到各分系统全面铺开，其实风险很高。
应该看到，我国的航天创业以及资本环境与美国有很大差异，长时间内仍将主要采用社会融资方式来支持长期高额研发投入，全产业链布局模式投资大，周期长、风险高，不适合中国资本和创业环境，未必可取。专业分工、协作共赢将是中国商业航天合理且必然的发展路径。
2.技术成熟度
液氧/煤油发动机比氧液/甲烷发动机成熟，是前期一个流行的观点。这是概念性误导，所谓成熟度是针对具体产品而言的，如我国的120吨级YF-100发动机、18吨级YF-115液氧/煤油发动机，地面验证充分，已成功飞行数十台，我们认为这两型发动机是成熟的。而新研发的发动机，都必须经历一个设计、验证、再设计、再验证的过程，并无成熟度可言。
以我国液氢/液氧发动机为例，YF-75 8吨级发动机作为CZ-3B运载火箭三级动力，已成功应用多年很成熟，而YF-77 50吨新发动机的研发并未轻易成功，从研制到应用历时近20年，其中经历了许多的设计改进与迭代过程。一方面是由于其推力由8吨小推力跨跃到50吨大推力，涉及较多的技术攻关问题，另一方面这是新产品研发所必须经历的过程，所以某个技术路线上的某款发动机成熟了，并不代表同一路线上的新型号发动机研发就容易，这种提法容易给投资人挖坑，最终有损于商业航天的健康发展。
3.发射场资源
有些人认为，新一代CZ-5、CZ-6、CZ-7等液氧/煤油运载火箭已开始发射，因此在发射场建设方面，液氧煤/油路线有较大优势。我国目前有西昌、酒泉、太原、文昌四大航天发射场，但具备液氧/煤油条件的仅文昌发射中心。特别要注意的是，文昌发射场的两个发射塔架是按照CZ-5、CZ-7新一代运载火箭定制的，并不适用于其它火箭型号。商业运载火箭若仍采取固定发射塔架的方式，将面临必须重新建设的问题。这一方面投入较大，另一方面对其它商业火箭也不兼容。商业运载火箭的发射应打破传统，采取灵活的发射方式，如CZ-6火箭使用车载发射，准备周期缩短至7天，也可以兼容其他型号火箭，提升发射设施利用效率，降低发射成本，这是国际航天普遍采用的发射方式。
图5 CZ-6运载火箭车载发射方式
此外，由于航天煤油需从产地运输至发射场，临射前运输并不现实，必须解决在发射场的贮存问题。在文昌发射场，可以与CZ-5、CZ-7共用燃料库，而在其它发射场则需新建贮存库。液态甲烷的优势是可以随时本地采购，避免贮存条件建设与长途运输问题。
4.运载火箭多元化
我国商业航天潜力巨大，仅数年时间已初具规模。星际荣耀、蓝箭航天、零壹空间均进行入轨尝试，其中星际荣耀获得成功，其它火箭公司也在加速发展。可以说，一个公司、一型运载火箭无法实现空间领域的全覆盖，一箭包打天下不现实，低轨、中轨、高轨、星际航行的需求正在不断展现，各商业火箭公司均可以在大航天时代找到自身位置与发展空间。我国长征火箭从CZ-1起，已发展了CZ-2系列、CZ-3系列、CZ-4系列、CZ-5系列、CZ-6系列、CZ-7系列等数十个运载火箭型号，以满足不同轨道的发射需求。结合自身特点与优势，实现运载火箭的差异化、多元化，商业航天运载火箭企业前景广阔。
四 建议
（1）商业航天作为一支新兴力量，是传统航天的有益补充，必将在我国航天强国建设过程中发挥重要作用。国家应从政策引导、研发支持、资源保障等方面加大扶持力度，加速商业航天的发展。
（2）商业火箭发展应综合考虑我国国情与资本环境，分工协作、强化细分领域，突破关键技术、优化系统集成，快速形成能力，实现低成本进入空间目标，助推国家空间资源商业化、产业化战略。
（3）动力路线的选择应考虑商业市场的需求，以简单、可靠、低成本、可重复、绿色环保，并有一定的先进性为目标，循序渐进解决有无、升级迭代，不断提升产品性能。
（4）商业航天应在继承传统航天的基础上充分发挥市场化优势，勇于创新、不懈探索，寻求适合我国国情的发展路线。
五 结束语
商业航天已成为全球航天不可逆转的大趋势，低成本进入空间是各国追逐的目标。运载火箭动力路线选择尤为重要，将决定其产品性能、成本优势、任务适应性及未来可拓展性。商业运载火箭动力路线应综合考虑低成本、绿色环保、简单可靠、可重复使用等因素，并结合我国国情确定方案，专业分工、合作共赢是适合我国商业航天发展的必由之路。
参考文献
[1] 钱学森，星际航行概论.北京：科学出版社，1963.
[2] 李亚裕，液体推进剂.北京：中国宇航出版社，2011.
[3] 刘业奎等，低温液氧／液甲烷火箭发动机技术.低温工程，2018.
[4] 张金荣等，液体火箭上面级发动机系统方案选择及典型系统方案.导弹与航天运载技术，2008（2）.
[5] 萨顿G P，比布拉兹O．火箭发动机基础．北京：科学出版社，2003．
[6] 刘国球等，液体火箭发动机原理. 北京：中国宇航出版社，2005.
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