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航天运载系统发展历程概述(1)
    时间:2018-5-16     点击率:306

编者按:当今世界各种航天活动方兴未艾,令人目不暇接。本文作者长期从事航天运载系统的基础研究,在文中对各主要航天运载系统(美国为主)所使用的林林总总的火箭发动机做了一番梳理,作为一份资料呈现给读者。如果你有兴趣于这方面的动态与发展但又茫然不知原委和来龙去脉、或有从事研究的需要,不妨抽空读一读本文或加以收集,相信对你会有所帮助的。本刊将分三期连续发布,此为第一篇。

航天运载系统发展历程概述(1)

余力

一、引言

火箭在人类摆脱地球、征服空间的历史中取得了巨大的成功。从上世纪50年代苏联的人造卫星和飞船上天环绕地球飞行开始,美国阿波罗登月计划、航天飞机以及各种各样的科学和应用卫星探测器无一不需要依靠能产生巨大推力的火箭发动机。然而,这种火箭发动机只能使用一次,造成居高不下的发射费用及安全隐患,逐渐成为人类进一步征服太空、实现“宇航梦”的巨大障碍

研发更先进航天发射系统的努力几十年来一直未曾停止。如上世纪80年代兴起的以超声速燃烧冲压发动机为代表的吸气式发动机(SCRIM)、或以它为中心的组合发动机(TBCCRBCC),它们将水平起降的一级或二级入轨作为目标,人们对这些先进航天发射系统所付出的努力不可谓不大。无奈,面对航天运载系统的应用,这种吸气式的超燃冲压发动机受到飞行马赫数不够宽的制约(推阻比/推重比不够大),与涡轮或火箭发动机的组合也存在诸多难以克服的技术困难。总之,组合发动机要成为可以服役的航天运载系统尚需时日。然而,人们追求更加便捷、更加便宜地(负担得起)进入空间的美好愿望和努力是不会罢休的。

目前,航天运载系统研发的趋势基本是两种技术发展途径:一种是以火箭发动机为动力的运载系统;另一种是以吸气式组合发动机为动力的天地往返系统。后者能像飞机一样水平起降,虽然它的技术成熟程度与前者相比尚在初级发展阶段,但组合发动机既具有在大气层内吸气的航空发动机功能优势,又有在真空环境下火箭发动机的功能优势,显然更为理想。现代科技进步如此之快,很难说它以后就不会后来居上!?英国一家发动机公司(Reaction engine Com.)研发的吸气式火箭近几年就有所突破。总之,从长远来看,两条技术路线都有各自的显著优势,它们应该可以互相取长补短,形成双赢的竞争关系。

所谓“三十年河东三十年河西”,攻克火箭发动机弊端的努力在最近十年里有了重大突破。有一个美国人埃隆·马斯克(Elon Musk)敢想敢干,致力于火箭的重复使用,不惧几经失败的挫折,终于获得成功,此举将对未来航天发射系统带来颠覆性的影响。实际上,火箭发射费用高和存在安全隐患的弊端,归根到底的原因在于不能重复使用。实际上,吸气式组合发动机的最大优势就在于可重复使用。如果火箭也能做到,则进一步征服太空的最大障碍就不复存在,前往太空也就不会无比昂贵,人类未来宇宙航行的前途将无可限量。

时至今日,在国际航天发射市场颇具实力者,除中国、俄罗斯外,主要有美国的联合发射联盟(United Launch Alliance)、蓝源Blue Origin)、太空技术开发SpaceX)和欧洲的阿利安太空公司(Arianspace)四家。虽然目前在役运载系统仍沿用清一色的火箭发动机为动力,但是美国三家公司的研发目标已转向火箭的重复使用。如ULA的火神运载系统Vulcan),Blue Origin的新格勒运载系统(New Glenn),和SpaceX的猎鹰9运载系统(Falcon 9)。它们的火箭发动机BE4、梅林1D和猛禽Raptor所采用的概念和技术或可代表重复使用火箭未来发展的方向。

其他值得注意的还有美国国防部先进研究计划署(DARPA)正在研发的可将小型卫星快速送上轨道、且可重复使用的小型无人火箭空天飞机XS-1

二、美国联合发射联盟 United Launch AllianceULA

美国联合发射联盟是洛克希德·马丁太空系统(Lockheed Martin Space System,简称“洛马”)与波音太空与安全防御部(Boeing Defense, Space & Security)组成的合资公司,于200612月成立,总部设在科罗拉多州森特尼尔,负责美国联邦政府的发射服务,客户包括美国国防部、美国国家航空航天局及其他政府机构。直到2016年美国空军将GPS卫星的合同给SpaceX之前,ULA借助洛马和波音,垄断军事发射超过了10年之久。

ULA目前有三个一次性发射系统: 宇宙神5Atlas V、德尔塔24Delta IIDelta-IV)。Atlas V Delta运载系统运行了50年以上,发射过的负荷种类甚多,包括:气象、通讯和国家安全卫星以及承担深空和星际任务的飞行器。目前,Atlas V 采用俄制的液氧煤油发动机RD-180Delta-IV采用洛马的液氢液氧发动机RS-68 RS-68AULA凭借超过90次不间断发射的成功记录,成为美国最可靠的供应商。虽然如此,发射一次需高达2亿美元的费用,还是越来越让人难以接受。

2014SpaceX公司“猎鹰9”火箭的成功,促使ULA研制下一代成本更低廉的新型运载火箭“火神”(Vulcan,替换价格高昂的液氧液氢发动机Delta-IV,同时结束对于俄制发动机RD-180的依赖,满足运载火箭发动机国产化的要求。ULA最终选择了蓝源的BE-4。他们于同年签订了为期4年的协议,建立共同基金来开发新型BE-4发动机。它不仅可用于宇宙神5火箭,还可用于蓝源公司的未来可重复使用的轨道运载器。他们于2016年进行了全尺寸发动机地面试验,将于2019年进行第一次飞行试验。火神的第一级使用两台推力为240吨的BE-4发动机。

ULA开发的“火神”火箭有另一个备选发动机,是由航空喷气洛克达因公司(Aerojet & Rocketdyne)研制的AR1发动机。该发动机使用传统液氧与煤油的组合推进剂,采用氧化剂分级燃烧循环,推力220吨。尽管蓝源公司BE-4的研发工作先于AR1,但是AR1与俄制RD-180发动机的相似性是它的的竞争优势。AR1已完成其关键设计审查,开始制造全尺寸发动机。最终的装配将在NASA斯坦尼斯航天中心进行。无论最终选择BE-4还是AR1发动机,美制发动机都将最终取代俄制RD-180火箭。

此外,美国空军也与Aerojet & Rocketdyne公司签署了合同,研制AR1液氧/煤油火箭发动机,用于空军的“先进廉价运载火箭”项目。如果一切进展顺利,AR1 发动机的研制工作将于2019年前后完成。

Aerojet & Rocketdyne公司的AR1液氧煤油发动机双喷管设计照片

俄制RD-180火箭发动机

俄罗斯是世界老牌航天强国。苏联解体后,虽然经济实力遭到沉重打击,制约了航天技术的发展,但依靠其雄厚的技术积累,在包括运载火箭、卫星、飞船等领域依然能与美国抗衡。RD-180火箭发动机属于俄罗斯高技术产品之一,是由俄罗斯动力机械科研生产联合体生产制造的一款双燃烧室、双喷管的火箭发动机。该发动机由RD-170系列衍生而来,并继承了RD-171的富氧预燃室设计,采用共享涡轮泵,推进剂为液氧和煤油,使用高压分级燃烧循环,使发动机效率更高,真空推力超过400吨,比冲305秒,性能非常卓越。无论是推力、重量、还是可靠性,RD-180发动机均优于美欧的同类产品,是大推力火箭发动机的首选,也是目前世界上同级别产品中最优秀的一种。

  

RD-180 系统简示

RD-180的管路图可以清晰地看到,蓝色的液氧全部都被导入红框内的预燃室中,这样一来就形成了氧气过量的富氧预燃室。采用富氧预燃室,可以使燃料充分燃烧,但是氧气过量也产生额外的问题:一方面是燃气温度很高,对涡轮耐高温性和冷却性要求很高;另一方面涡轮几乎是在高温纯氧的冲刷下工作,这对涡轮的抗氧化性能要求很苛刻。此外,还对预燃室的燃气均匀性等很多问题都提出了挑战。如果处理不善,可能导致涡轮氧化,甚至断裂,结果就是发动机爆炸。而俄罗斯科学家创造性地解决了这个复杂的问题,研发出了能够稳定工作的富氧预燃室的高压补燃煤油火箭发动机,RD-180就是这种发动机的代表作。目前。仅有俄罗斯能制造这种发动机,美国人尚未学会。

RD-180 实物照片

从应用历程来看,RD-180发动机曾被采用为前苏联的“能源号”重型运载火箭第一级。冷战结束后,美国利用苏俄急于投向西方怀抱的机会,获得了这种令西方眼馋的火箭。1990年,美国运载火箭开始使用RD-180发动机发射军用卫星。1997年,美国与俄罗斯签订了总额为10亿美元的销售合同,使得美国成为俄罗斯RD-180发动机的唯一用户。根据合用,俄罗斯将在2018年底前共向美国交付101RD-180发动机,用作“宇宙神5”运载火箭的芯一级发动机。

“宇宙神5”火箭是美国空军的改进型一次性使用运载火箭,承担着美国重要卫星的发射任务,是美国的当前主力运载火箭,这也使RD-180发动机在美国航天发射任务中发挥了关键的作用。20多年来,美国共发射该火箭70多次,先后启动了月球、火星、冥王星和木星探测任务,仅出现过一次故障。20177月,俄动力机械科研生产联合体的火箭发动机公司执行长伊戈尔·阿尔佐佐夫宣布,将如期继续向美国提供11RD-180发动机。这不仅进一步加深了美国对该发动机的依赖性,也使得RD-180成为美俄合作的典范。

当然,美国航天依赖俄制火箭,主要并非技术原因。火箭属于一次性设备,成本控制是个很大的问题。冷战结束后,美国航天部门的预算大幅缩减,急需一款性能稳定且价格便宜的火箭发动机。从价格上来看, RD-180发动机大致相当于1000万美元一台。而美国航空喷气公司对AR-1火箭发动机的报价则是单台2500万美元,还没有分摊10亿美元的研发费用,其成本超过进口俄罗斯的两倍还要多。因此,RD-180发动机的低价格成为美国火箭发动机无法比拟的优势。

据此,美国防部副部长罗伯特·沃克表示,如果一旦放弃RD-180发动机,美国的火箭发射成本将大大增加。例如,以单次发射费用至少要增加40%左右的数字来算,美军在6年内将会增加15亿至50亿美元的支出。而且,在美国军方制定的未来15年计划中,对火箭项目的拨款是排在隐形战机、战略导弹、核潜艇、航母等海空军项目之后的,相对有限的资金投入更使得火箭发动机的研发项目前途堪忧。而继续使用RD-180发动机,则会节省大量资金,从而更好地完成美海空军计划的优先项目。

宇宙神5Atlas V

尽管冷战期间美苏在航天领域互不相让,但冷战后对俄制火箭发动机的长期依赖也损害了美国原本强大的研发体系。从研发实力来看,长期以来,美国大部分卫星发射任务均由美国空军和国家航天局(NASA)完成。但自2006年起,美国空军开始将发射“宇宙神5”型火箭的任务分包给了联合发射联盟公司。该公司作为一家民间企业,为追求最大利润,长期以来只依赖采购的俄制RD-180发动机,而不再研发同级别的发动机,从而导致研制火箭发动机的能力逐渐衰退。因此,在当前的背景下,使用物美价廉的RD-180发动机是美国目前最佳的选择。

虽然RD-180发动机性能可靠、价格便宜、供货稳定,但事关美国国家安全的火箭发射任务若一直依赖俄制发动机,肯定是美国政府的一个隐忧。如果继续使用RD-180发动机,那么美国在火箭发动机领域的核心技术难免空心化,使得整机进口受制于人。在美俄关系转冷的情况下,一旦俄方断货,就会给美国航天发射制造不小的麻烦。而事实是,乌克兰危机爆发后,俄罗斯确实曾宣布向美国禁运RD-180发动机,更令美国对火箭发射的供应链可靠性问题感到担忧,也使得研制RD-180发动机替代品的呼声在美国国会和其他各处的呼声迅速高涨。

2016227日,空军部长德博拉·李·詹姆斯在参议院听证会上表示,逐步摆脱对俄制发动机的依赖是美国军方当前工作的重点。美国空军声称,正在与其他公司洽谈,未来可能会公布更多火箭发动机研制合同,目的是满足国家航天发射安全的需要,摆脱对外国的战略依赖,并支持美国航天领域私企在全球市场上的商业竞争力。而在此之前,美国众议院武装军兵种战略力量委员会在起草2015财年国防预算法案时就已建议,拨款2.2亿美元研制RD-180发动机的替代品。此外,负责监察秘密情报卫星项目的众议院特别情报委员会也在致力于为RD-180发动机替代品寻求投资。

从目前情况来看,NASA和美国空军已经开展了替代品研究项目,其中包括蓝源公司的BE-4液氧/甲烷发动机、洛克达因公司的AR1液氧/煤油发动机以及马斯克的“重型猎鹰”火箭研制计划等。2016229日,美《防务新闻》报道,美国空军已经授予联合发射联盟公司一个4660万美元的合同,用于发展“火神”火箭的BE-4助推火箭发动机。此外,美国空军还向航空喷气洛克达因公司和联合发射联盟发出了合同,要求研制新型AR1液氧/煤油火箭发动机。如果一切进展顺利,AR1 发动机的研制工作将于2019年前后完成,成为取代RD-180发动机的重要举措。

取代RD-180替代产品的研发仍任重而道远

不久前《华尔街日报》报道:美国防部宣布,直至20242025年以前将继续购买安装有俄罗斯RD-180发动机的“宇宙神”-5火箭。报道称,由于美国自身研制和应用国产发动机需要的时间超出预期,在2028年前可能一直需要从俄罗斯购买火箭发动机。

尽管美国为替代RD-180发动机采取了多项举措,但无论是从研发时间还是产品质量方面来说,都存在诸多不利因素。日前,由美国航天专家组成的一个委员会对在不使用RD-180发动机条件下的美国火箭发射情况进行了展望。结果发现,要研制出可替换RD-180型发动机的产品最少需要5年甚至更多的时间,而美国目前RD-180火箭发动机的储备量仅能满足两年的火箭发射需求,因此存在一个近三年的发射缺口。这三年的缺口将对美国的敏感领域,特别是军事卫星通讯和导弹防御体系造成严重后果,并进一步影响美国的中长期太空计划。

此外,由于美国目前的新型火箭发动机产品都还在研制或试验阶段,性能上都需进一步论证,离真正替代RD-180还有一段距离。例如,BE-4发动机采用了液氧/甲烷推进剂,这需要重新设计宇宙神5火箭的初级结构,而ATK公司提出的固体发动机方案,也需要把初级原有的单发动机结构改为双发动机结构,其全箭环境适应性对一些用户的卫星也将是一种挑战。此外,无论是BE-4还是AR1,其单机推力都小于RD-180发动机,控制系统也需同步更新。因此,至少在可预见的未来,美国将难以摆脱对RD-180发动机的依赖,替代产品的研发任重而道远。

其实,即使俄罗斯切断RD-180火箭发动机的供货,美国也并非无计可施,其“德尔塔-4”运载火箭可马上使用,SpaceX公司的技术实力更不容小觑。

RS-68火箭发动机

RS-68Rocket System 68的缩写)是目前推力最大的氢氧火箭发动机,由洛克达因的推进与动力分公司设计并在圣苏珊娜实验室制造,用来推动“德尔塔-4”运载火箭。它的海平面推力达到290吨,真空推力达到330吨,两个数据都是发动机在102%工作状态下测得的。该发动机研发于上世纪90年代至21世纪初,设计目标是要降低生产成本。

出于简化和节约的设计目的,这款发动机的成本比航天飞机主发动机SSME)低了将近80%,然而比冲低了10%,推重比也有所下降。用于波音的“德尔塔-4”的发动机成本只有1400万美元,而SSME成本是5000万美元。2006518日,NASA宣布战神5上原计划使用的SSME将被5RS-68替换。NASA看中RS-68也是因为它的低廉造价,经过NASA改进后,每台RS-68的成本也只有2000万美元。NASARS-68的改进包括:替换了一个新的烧蚀材料喷管以适应增长的燃烧时间;缩短了启动流程;更换了点火时限制氢逸出的部件;减少了发射倒计时的氢用量。改进后的RS-68的推力和比冲都有所上升。现在战神5号已计划使用6RS-68

RS-68的控制阀可以在57%102%的范围内调节、控制推进剂流量。发动机采用燃气发生器循环,内置2台独立的涡轮泵。燃烧室采用了苏联发明的通道壁技术(channel-wall),即在燃烧室外层装一层壳,中空层就是冷却通道。比起其他发动机采用数百根铜管缠绕燃烧室的设计来说,这种设计的发动机更重,但成本大幅降低。喷管内壁采用烧蚀材料,可以带走燃烧产生的大量热量。这也使RS-68重量增加,但降低了制造难度。

RS-68最初在空军实验室AFRL)做相关试验,后来转到斯坦尼斯航天中心。发动机的首次成功试车是在1998911日,而火箭的首次试飞是在20021120日。其技术性能参数如下:

海平面推力:288

真空推力: 330

比冲:365秒(海平面)/ 410秒(真空)

重量:6.6

长度:2.4384

推进剂:液氧/液氢

混合比:6:1

推重比:51.2:1

喷管面积比:21.5:1

室压:1,410 帕斯卡

航空喷气洛克达因公司(Aerojet & Rocketdyne

它是美国的一家火箭和导弹推进器制造商,总部位于美国加利福尼亚州萨克拉门托,成立于2013年。当时,Aerojet(当时由GenCorp拥有)和Pratt&Whitney Rocketdyne合并后,由真康普公司(GenCorp)从普惠公司收购。2015427日,更名为Aerojet & Rocketdyne HoldingsInc.。其主要产品有:

1.RS-25(推进剂为液氢/液氧),为航天飞机的主发动机。

2.RL10(推进剂为液氢/液氧),由Pratt&Whitney开发,目前用于Delta IV的上层以及Atlas V的上层芯级。曾经在泰坦土星1和垂直着陆的麦克唐纳道格拉斯DC-X、三角帆船上使用。

3.RS-68(推进剂为液氢/液氧),为Delta IV第一级发动机。

4.J-2X(推进剂为液氢/液氧),该发动机最初是在星座计划取消之前为战神I的上级而开发的。

5.婴儿矮脚鸡(推进剂为煤油/液氧),这就是20146Aerojet & Rocketdyne宣布他们已经“制造并成功测试了一台完全3D打印的发动机”。该发动机推力是2吨。

6.AJ-26(推进剂为煤油/液氧),它是从俄罗斯进口的改型和改装的NK-33发动机,用作Antares第一级发动机。

7.AJ-60A,这是用于阿特拉斯V型运载火箭的固体火箭发动机。

8.CCESRM),这是蓝源研制的Shepard乘员组胶囊逃生固体火箭发动机,由Aerojet & Rocketdyne制造。

9.SJ61(推进剂为JP-7/空气),X-51超音速演示机上使用的双模式冲压喷气发动机/超燃冲压发动机。

10.AJ-10(推进剂为A-50 / N2O4),它是Delta II第二级发动机,用作航天飞机的OMS发动机。

而正在开发中的发动机则是AR1。将利用Aerojet & Rocketdyne中剩余的部件和NASA库存中SSME早期的型号来制造。预计每台发动机的成本将低于2500万美元。

二、蓝源Blue Origin

蓝源(Blue Origin)是一家在美国华盛顿州肯特市(Kent)成立的私人太空公司,由亚马逊公司Amazon.com)创始人、亿万富翁杰弗里·贝索斯Jeff Bezos)于2000年创办。蓝源成立的目的是开发将人类送上太空、同时最大可能降低费用并增加可靠性的技术,执行“走一步上一步”从亚轨道飞行再到轨道飞行的渐近方法。

起初,蓝源致力于亚轨道飞行,在德州建立了New Shepard Spacecraft试验基地。这个亚轨道飞行器分为助推火箭和入轨飞船两大部分,其中液氢液氧火箭发动机BE-3在助推段垂直起飞,而飞船利用降落伞回收。2015年以来,它已成功来回飞行了6次,助推火箭飞行高度超过100千米,助推火箭和飞船两者都安全返回着陆。第一次载人飞行计划于2018年上半年,以后将进行商业服务。

杰弗里·贝索斯对太空的兴趣源自他的青少年时代,他在18岁时曾说“要修建太空酒店、游乐场,送200300万愿意去太空殖民的地球人进入轨道”。他还告诉媒体“总的想法是保护地球,疏散人口。”

杰弗里·贝索斯

正在组装的New Shepard Spacecraft

亚轨道飞行器在发射

飞船安全回收

2014916日,蓝源与ULA共同投资合作研制新的火箭发动机,其中的BE-4(推进剂为为液氧/甲烷)作为火神的第一级,推力较小的BE-3(亚轨道飞行器的助推器)作为火神的上面级。合作开发BE-4是为确保其适用于ULA的下一代运载火箭,同时满足未来的商业和美国空军的“革新的一次性运载火箭EELV”计划需求。BE-4采用先进的设计和制造技术以降低成本。为了支持研制BE-4,蓝源公司建造了新的工厂和专门用于液化天然气甲烷的试验设施。BE-4的技术优势是可以重复使用,这是继20年前洛克达因公司的RS-68之后,美国开发的最强大火箭发动机。

蓝源和ULA签订的协议为期4年,包括在2016年进行全尺寸发动机试验,2019年进行第一次飞行试验。BE-4将用于ULA和蓝源公司未来的航天发射系统,能够提供247.5吨推力。ULA的火神第一级将采用2BE-4发动机,故起飞推力为495吨。

研制中的BE-4火箭发动机

ULA总裁兼首席执行官(CEO)托尼·布鲁诺(Tony Bruno)说:“两家公司之间的协议确保ULA在执行最重要的国家安全、民用、载人和商业航天发射任务过程中,能够最大限度地保持成本效益、创新性和可靠性。蓝源公司已经证明其在研制高性能火箭发动机方面的能力,我们期望双方在工程研发、供应链管理、商业实践方面的思路结合在一起,创造一种全新的经济的、可靠的、国产的火箭发动机,为未来的航天发射创造最大可能性。”

贝索斯则称:“过去8年中,ULA几乎每个月会将一颗卫星送入轨道空间。它们是历史上最可靠的发射服务供应商,成功纪录令人震惊。蓝源公司团队正在有条不紊地研发能大幅降低成本并提高可靠性的载人航天技术,BE-4取得的研制进展是其中的重要一步。凭借与ULA新的合作关系,我们正在加速美国新一代国产发动机的商业化研制进程。

蓝源的BE火箭系列如下:

BE-1发动机:推进剂为过氧化氢,海平面推力900公斤;

BE-2发动机:推进剂为煤油+过氧化氢,海平面推力14吨;

BE-3发动机:推进剂为液氢液氧,海平面推力50吨;

BE-4发动机,推进剂为液氧+甲烷,海平面推力250吨。

New Glenn运载火箭

新的运载火箭New Glenn能将包括乘客在内的重型载荷送入环绕地球轨道。目前,New Glenn的整体还未面世,它将是继SpaceX的猎鹰火箭后,又一型主体在发射后可返回地面、回收再使用的重型运载火箭。它也是“蓝源”公司继之前的New Shepard运载火箭之后,又一型可重复使用的航天助推器。不同的是,New Glenn要比此前的New Shepard更重、推力更大。New Shepard亚轨道发射系统包括一枚火箭,只能达到距地100千米左右的大气层(故称“亚轨道”)。

New Glenn火箭的第一级将由7BE-4发动机提供1750吨推力。与New Shepard相似,New Glenn发射后能垂直着陆回收,经过适当的维护后便可重复使用,因而可降低成本。第二级是一次性使用的,与第一级有相同的直径,但使用一个真空优化的BE-4发动机。New Glenn运载能力大约是SpaceX猎鹰9号的两倍,能把约45.4吨载荷送入近地轨道。美国现役最大的ULA德尔塔-4重型火箭(Delta IV Heavy)推力为910吨,SpaceX猎鹰重型火箭(Falcon Heavy)推力为2270吨,New Glenn火箭的推力介于两者之间。

New Glenn火箭直径为7米,高度则在82-95米之间,略小于土星5号(Saturn V)。蓝源曾给出过一张对比图,展示了SpaceXULA等公司其他运载火箭的相对尺寸,显示新火箭的庞大体积。蓝源的New Glenn有二级和三级的两种型号,可分别将卫星和人送上轨道,二级高82米而三级95米。

美国运载火箭的相对尺寸对比

New Glenn运载火箭意味着,其业务不再局限于低轨道活动(比如近地旅游和探空科研),而有能力承担地球轨道发射任务(如卫星发射等)。借此,蓝源将跻身重量级商业航天之列,和SpaceXULA等公司同台竞技。

BE-4 火箭发动机

BE-4火箭发动机

BE-4是蓝源的第四代液体火箭发动机,于2011年开始研发。它是一种富氧分级燃烧循环的液体火箭发动机,采用液氧/甲烷推进剂。市售的液化天然气来源丰富而且价廉。此外,与煤油等其他推进剂不同,甲烷有贮箱自增压特性,可以不使用成本高昂且复杂的增压系统(如氦气)。液化天然气也不会留下烟灰副产品,简化了发动机重复使用的维修程序。甲烷的气态特性将简化运载火箭组装前的发动机净化过程,提高重复使用的操作性和安全性。总之,甲烷发动机将提高经济可承受性和重复使用能力,是蓝源公司在过去6年时间里的重点研发对象。其设计海平推力为250吨,着陆时节流推力可降低为9吨。它是继20年前洛克达因公司的RS-68引擎之后,美国开发的最强大火箭发动机。其性能特色如下:

1)推力(海平面):250吨,满功率;

2)气室压力:133 公斤/厘米2,远远低于ULA要取代的RD-180发动

机的270公斤/厘米2

3)瞄准重复使用;

4)设计寿命:25次发射和着陆;

5)在飞行过程中可以重新启动。

为了支持研制BE-4,蓝源公司建造了新的工厂和专门用于液化天然气甲烷的试验设施。试验内容包括缩比富氧预燃器研制试验、预燃器的分级燃烧试验以及主喷注器组装、涡轮泵和主阀等,能够测试450吨以上的推力水平。截至20154月,发动机的开发分两路进行:其中一路测试BE-4全尺寸的动力单元,包括整套阀门、涡轮泵、喷注器和燃烧室,为提供合适的燃料/氧化剂混合物。另一路专门测试喷注器。2016年底进行了全面的发动机测试,2017年完成了发动机的研制。20159月,完成了包括预燃室和有多个全尺寸喷注器再生冷却推力室等关键部件的测试,测试数据用于确认“喷注器性能,传热燃烧稳定性”的理论模型,用于改进发动机设计。在2015年的动力包测试中,测试台上发生了爆炸,于是又建了两个更大的测试台,能够测试420吨的推力。蓝源在2016年底之前开始测试BE-4地面测试台的全尺寸发动机。第一台发动机于20173月完成了装配。

20171021日, BE-4发动机点火成功,进行了32秒的半功率(推力50)试验BE-4将是数十年来美国制造的运载能力最大的火箭。这一成功让埃隆·马斯克的SpaceX和贝索斯的蓝源之间的一场“太空大战”愈加激烈。BE-4的改进型衍生物曾考虑用于美国军事项目的实验性XS-1空间飞行器,但后来未被选中。

BE-4试车时喷射的火焰

贝索斯特别谈到设计预燃室的问题,他说:首先利用三维流体力学计算软件模拟甲烷天然气和液氧燃烧的过程,需要考虑和应用燃料相变物理和燃烧化学研究的最新成果,可以算出燃气流动参数。但是,计算的难度非常大,计算所得的数据还須与缩尺试验数据进行比较并修正。预燃室的设计要求在涡轮的上游产生温度均匀的燃气流。

BE-4和猛禽Raptor(下面第三节中将要详细叙述)都是甲烷液氧发动机,而且都是采用分级燃烧循环,但BE-4是富氧燃烧循环(只有一个预燃室),而Raptor是全流量分级燃烧循环(具有两个预燃室)。这里,Raptor技术更复杂,指标更激进。蓝源的理念是高性能架构保证出中等性能产品(medium performance version of a high performance architecture。换言之,蓝源不想把同样的分级燃烧循环,硬是提高到俄制RD-180那样的性能极限的富氧燃烧循环,而且RD-180是液氧煤油发动机。然而,他们的目标大约都是250吨推力。有意思的是,Raptor也瞄准大致相同的推力(230吨),但真空比冲为380秒。人们一般认为Raptor的性能优于BE-4。埃隆·马斯克后来在推特上称他们的Raptor的目标是在燃烧室压力300大气压下推力达310吨、真空比冲为382秒,即所谓高性能架构获得高性能产品(high performance version of a high performance architecture”。

使用甲烷燃料作为发动机推进剂,有利于发动机的可重复使用,但也带来了技术风险。无论是改变燃料方式,还是改变发动机尺寸,或热动力循环方式,都将引起火箭发动机燃烧的不稳定性,以上这三种不确定性都出现在BE-4发动机上。BE-4的设计具有长寿命和高可靠性,部分原因是该发动机的设计理念“高性能从高处着手从中等性能收官”。

BE-4设计理念

贝索斯曾谈到BE-4发动机研发背后的理念。他说:“从原理上来说,航天飞机的火箭发动机很简单,但实际上却非常复杂。”尽管如此,蓝源希望创造出一种不太复杂、不需要使用昂贵材料的发动机。设计师们想要的,不是一件突破工程极限的概念性作品,而是一种能够反复使用的可靠机器。随着可重复使用发射技术不断提高,这种火箭发动机也许可以重复使用几十甚至上百次。

2012年,蓝源开始自行研发BE-4发动机。但在2014年,另一家火箭发射承包商ULA找上门,希望他们为其下一代的火箭Vulcan研发新型发动机,来替代过去使用的俄罗斯RD-180发动机。因为在美俄关系日益紧张之际,美国安全机构对于向俄罗斯采购火箭发动机很是忌讳。

RD-180是一款高性能发动机,能够在极端的温度和压力下工作。对于火箭发动机而言,能耐受更高的压力就意味着具有更好的性能,但也意味着研发的周期更长、成本更高,在可重复使用性上也存在更大的变数。“我们的策略是,选择高性能架构的中等性能版本。”贝索斯说,“RD-180是高性能设计的高性能版本。这增加了研发难度,使一切都复杂化。哪怕压力低一些,仍然能够创造强大的性能。”基于这种设计理念,贝索斯说,BE-4发动机的价格应该比RD-180发动机低三到四成。而且从理论上来说,BE-4发动机更加耐用,可以重复使用,RD-180发动机不用担心由于极端压力和温度造成的零部件故障,因为RD-180发动机只使用一次,然后就丢掉。

BE-4发动机采用液态甲烷燃料,原因是:虽然氢燃料有更高的比冲,但难以处理,需要庞大的储罐来存放。而甲烷易于存储使用,并且有可能在火星等外星球上就地取材。因此从某些方面来说,甲烷是属于未来的火箭燃料。BE-4AR1产生的推力都小于RD-180,因此联合发射联盟需要安装两个发动机在新一代助推器上,AR1发动机相比BE-4而言,体积更小,价格也可能更加低廉。

航空喷气洛克达因的AR1推进系统

BE-4试验成功的意义

BE-4的海平面推力为250吨,比航天飞机的主发动机(推力为190吨)更加强大。美国的一些国会议员曾要求联合发射联盟放弃BE-4发动机,转而采用Aerojet & Rocketdyne公司研制的AR1火箭发动机。议员们说,BE-4发动机的“尺寸和动力能否符合要求还未经验证。”

几年前,马斯克的SpaceX公司在向美国宇航局(NASA)、美国军方和其他政府机构寻求资助时,也曾遇到过这种偏见。美国政府和国会里的一些人,至今仍对私营宇航公司抱着怀疑和刁难的态度。BE-4发动机测试成功将达到一石二鸟的效果:不仅证明“未经验证”的公司能够胜任这份工作,而且证明甲烷燃料可以用于大型火箭发动机。此外,BE-4取得成功的话,将大大推动蓝源自己设计的New Glenn火箭研发进度。

长期以来,SpaceX都是全球航天发射圈子里唯一的一家新一代航天企业。SpaceX一直以外来者的身份,孤军对抗传统的航天企业和政府发射机构。如果只有一位科技创业者梦想着实现可重复使用的火箭,人们可能会不屑一顾,把他视作天真的乐观主义者或者假扮成火箭专家的有钱人,但要是有两位科技创业者都研发出了他们自己的火箭发动机,那就很难忽视这股力量了。

三种私营宇航公司正在研发的火箭发动机BE-4,RaptorMerlin-1D

用于德尔塔-4第一级的RS-68 火箭发动机

用于阿波罗计划运载火箭的F-1火箭发动机

俄制RD-180火箭发动机

 

(未完待续)