中国首次实现液体火箭发动机重复使用 | 十年中国造⑨

记者|马悦然 在火箭回收重复利用上,中国又前进了一步。 9月13日,西安航天动力研究所官微称,近日,由西安航天动力研究所自主研制的某型液氧煤油发动机首次实现重复飞行试验验证。...


记者|马悦然

在火箭回收重复利用上,中国又前进了一步。

9月13日,西安航天动力研究所官微称,近日,由西安航天动力研究所自主研制的某型液氧煤油发动机首次实现重复飞行试验验证。

该型发动机作为某飞行器主动力装置参加首飞试验后,经检测维护,再次装配并顺利完成了重复飞行试验。这是国内首次实现了液体火箭发动机的重复使用。

西安航天动力研究所成立于1958年4月2日,又名中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所。该所是中国航天液体火箭发动机研究设计中心。

据西安航天动力研究所介绍,液体火箭发动机作为航天运载器的主要动力装置,功能全、性能高、技术难度大、研制周期长。液体火箭发动机的可重复使用技术,对可重复使用航天运载器至关重要。

其中,液氧煤油发动机是国内新一代运载火箭的主要动力装置,具有高性能、大推力、无毒无污染等优点。

据央视新闻报道,液氧煤油发动机从一次飞行使用到两次飞行使用这一小步,为后续中国开展更大推力可重复使用液氧煤油发动机研制积累了宝贵经验、探索了道路,标志着中国航天液体动力可重复使用实现了从零到有的突破。

图片来源:中国航天科技集团六院

火箭派联合创始人、火箭副总指挥万美对界面新闻表示,原本火箭发动机为一次性使用,重复利用技术实现后,发动机可以多次使用,以降低成本、提高运力。

“尤其在马斯克的SpaceX推动下,国内外火箭发射由一次性使用到可重复利用已成为必然趋势。”万美称。

2015年12月,美国私营航天企业SpaceX推出的“猎鹰9号”火箭完成首次回收,之后数年内进行了多次重复发射。

据万美介绍,火箭的一级助推器制造成本占整体火箭制造的70%以上。以SpaceX猎鹰9号为例,在可重复使用情况下,整个一级火箭回收,经过简单处理后再次利用至第二发火箭,大大降低发射成本。

制造出可重复使用的发动机,是实现火箭回收重复使用必须突破的关键之一。发动机是火箭的“心脏”,产生强大动力助推运载火箭进入空间。

西安航天动力研究所称,“十三五”期间,西安航天动力研究所预先开展了液氧煤油发动机重复使用关键技术研究,取得了大量理论和试验研究成果,为液氧煤油发动机重复使用奠定了基础。

据西安航天动力研究所介绍,重复使用的五大关键技术分别是多次点火技术,大范围变推力技术,力、热防护技术,重复使用状态评估技术以及重复使用检测维护技术。

该发动机从设计之初,部组件方案及总体布局按多次工作的要求开展论证,所有阀门均为可多次工作的气动、电动、液动等工作形式,地面研制试验实现了单台发动机不下台重复试车8次。

西安航天动力研究所所长张晓军表示,中国液氧煤油发动机首次重复飞行成功,标志着发动机重复使用技术进入实战阶段。

根据发动机使用的燃料不同,火箭可分为固体火箭和液体火箭。

液体火箭是指采用液体推进剂的发动机作为动力系统的火箭;固体火箭则采用固体推进剂的化学火箭发动机为动力系统。

固体火箭具备大推力、可靠性高、发射操作简单等特点,但也有比冲小、工作时间短、推力不易控制和重复启动困难的缺点。

液体火箭则具备比冲高、推力可调、可多次启动等优点,在成本、燃料消耗和可重复使用方面都具备优势,是可回收运载火箭的较优选择路径。

“固体火箭相对结构和技术难度更为简单,商业航天公司、初创公司多以固体火箭为起步研制型号。”万美称,但固体发动机无法实现回收。同时,固体发动机危险性较大,规模化发展后面临成本限制。一旦点火后,固体发动机难以控制推力,甚至无法控制启停。

液体火箭中,除液氧煤油发动机外,还包括液氧液氢和液氧甲烷。

万美表示,液氧液氢由于其技术难度太高,目前商业航天鲜有采纳,只有国家队作为二级或更上级发动机使用场景。液氧煤油和液氧甲烷没有明显的优劣之分,不同公司和机构选择不同。

火箭派研发的火箭选择的是液氧甲烷。该公司是国内民营商业航天企业之一,已完成中国首个商业航天生物载荷任务,计划2023年首发国内首个星箭一体化液氧甲烷火箭“达尔文二号”。

火箭回收方式包括垂直回收、伞降回收和带翼飞回方式等。其中,垂直回收是目前全球主流方式,即通过重启一级火箭发动机以减速并调整成和地面垂直的姿势回到指定地点的回收方式。正是凭借这一技术,SpaceX实现最大程度地“降本增效”。

华泰证券研报指出,目前中国民营航天企业每公斤发射成本超过1.5万美元,是SpaceX猎鹰九号发射成本的5倍,实现一级火箭回收是降成本的关键。

国内民营商业航天企业也在积极探索火箭可回收技术。

2019年,翎客航天完成了可回收火箭RLV-T5的首次自由状态下的低空飞行回收试验。

今年5月,星河动力航天公司宣布,其自主研发的“苍穹”50吨级可重复使用液氧煤油发动机首次全系统试车获得成功。

同在5月,深蓝航天自主研发的“星云-M”1号试验箭完成了1公里级垂直起飞及降落(VTVL)飞行试验,实现试验箭成功回收。

8月,蓝箭航天的天鹊80吨改进型火箭发动机二次起动试车,标志着“天鹊”系列液氧甲烷发动机已具备可重复使用能力。

在火箭发射上,中美呈现不同特点。中国火箭发射任务仍以“国家队”为主,美国则以SpaceX为代表的民营企业为主。

华泰证券数据显示,2015-2021年,中国运载火箭商业发射次数共计84次,其中国家队承担发射任务77次,占比为91.67%。美国2020-2021年间共计95次火箭发射任务,均由私营企业完成,其中SpaceX发射次数占总发射次数的58.95%。

万美认为,未来商业航天企业将有更大的动力,推动火箭可重复使用。

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