蓝箭航天完成80吨级液氧甲烷发动机整机试车,明年首飞!

近日,民营火箭公司蓝箭航天宣布,该公司研发的“天鹊”80 吨液氧甲烷发动机成功进行发动机试车。据介绍,截至 5 月 17 日,“天鹊”发动机在一周时间内共进行了 4 次试车,其中最长试车时间为 20 秒,过程中发动机起动关机平稳,各项性能均达到了设计要求。

此次试车成功是中国民营航天企业在这一级别的液体火箭发动机上实现“零的突破”,这也让蓝箭成为国内首家完成液体火箭整机试车的民营企业。蓝箭航天表示,此次试车成功正式宣告中国民营企业首次掌握百吨级液体火箭发动机的全部关键技术。

视频|“天鹊”试车过程(来源:蓝箭航天)

“天鹊”的研制工作最早开始于 2017 年,目前,这款发动机还处于少量生产的阶段,蓝箭计划在下半年开始在其位于湖州的工厂进行批量生产。未来,将基于此款发动机完成“朱雀二号”运载火箭研制。

“天鹊”发动机的技术负责人祖诚告诉 DeepTech,在这阶段试车结束后,将对发动机进行拆分检查,接下来还要开展发动机的全程试车、边界条件试车、摇摆试车等工作,最终累计无故障试车时间要超过 1.5 万秒,让发动机的可靠性指标满足火箭总体的需求。

蓝箭计划在 2020 年上半年完成上述的试车工作,并在 2020 年下半年完成“朱雀二号”液体火箭的首次飞行。据了解,“朱雀二号”的一级火箭将搭载 4 台“天鹊”发动机,低轨运载能力在 4-5 吨之间,未来主要面向低轨卫星发射需求。

液氧甲烷推进剂的经济优势

“天鹊”液氧甲烷发动机是蓝箭在液体火箭发动机上的第一款产品。

在此之前,液氧甲烷发动机在国内还没有公开明确的型号产品。在中国航天的历史上,液氧甲烷发动机早在 20 世纪 60 年代就被提出,后来也被验证为一条可行的技术路线,但在多种因素影响下,液氧甲烷发动机一直未能作为一个正式型号登上中国航天的舞台。

液氧甲烷推进剂的优势在于,液态甲烷具备成本低、较易贮存、无毒无污染、维护方便的特点。而作为低温推进剂的液态甲烷,其黏度低(为煤油的 1/3)、结焦和积碳现象少等优点明显。

如果仅从应用层面来说,液氧甲烷密度较小、饱和蒸汽压高,这就导致了密度比冲偏小且燃料泵的抗汽蚀性能不易保证等固有缺点。但对于按照商业化思路来经营的民营公司来说,最重视的还是性价比,这个时候,甲烷的优势就体现出来了。

更重要的是,不易结焦的特性使得以液氧甲烷为燃料的发动机同样具有优秀的重复使用潜力,可以保证发动机具备几十次甚至上百次的使用寿命。因此,出于对推进能力、成本、复用性等方面的综合考虑,液氧甲烷成为多数民营火箭公司在研制液体运载火箭时的常见选择。

SpaceX 正在研发的新一代发动机猛禽、蓝色起源的 BE-4 发动机在推进剂上都选择了液氧甲烷,两款发动机均已进行了完整发动机全系统试车,推力均在 200 吨以上。而“天鹊”则仅次于二者,成为世界第三型大推力液氧甲烷发动机。

图|“天鹊”发动机(来源:蓝箭航天)

此外,蓝箭航天 CEO 张昌武在采访中表示,民营企业在固体火箭发射市场将会变得非常艰难。

在他看来,固体运载火箭作为一个独立运输系统,当直径达到 3 米之后,火箭在经济性和技术指标上就会达到一个临界点,如果将其继续做大,固体火箭的性价比将会大幅下降。

直径低于 3 米、运力低于 1 吨的固体火箭在发射市场中有自己的独特优势,但对于民营火箭企业来说在这一细分市场面临着巨大的竞争压力。”中国航天现有的很多成熟固体火箭型号都在可靠性,成本上具备极大优势,民企涉足这一领域需要有更多独特卖点。“张昌武说道。

因此蓝箭认为,对民营火箭公司来说,只有中型以上的液体火箭才能在商业发射市场生存并盈利。

尽管如此,蓝箭在固体火箭方面也有过尝试,2018 年 10 月,蓝箭发射了“朱雀一号”运载火箭作为入轨发射的首次尝试,但最终未实现入轨,“朱雀一号”便是一枚固体运载火箭。

对此,张昌武表示,强调液体火箭市场也不代表完全放弃固体火箭,蓝箭已经具备了完整的固体火箭的保障能力,未来将会与合作伙伴联合推动固体火箭型号的后续任务,更多输出火箭的设计能力,但不承担后续的生产和总装环节。

逐步实现发动机重复使用

可重复使用火箭已经被广泛认为是能够大幅降低发射成本的技术路线,在蓝箭的未来发展目标中,可重复使用是一个重要目标,但这是需要分阶段实现的。

张昌武在采访中坦言,中国民营火箭企业在可回收火箭领域的技术积累还是比较薄弱的,尤其是和美国相比,在他看来,中国的火箭整体回收在 5 年内是难以实现的。而这还只是一个比较保守的判断,不排除未来 7、8 年也未能改变这个现状。

蓝箭表示,“朱雀二号”的一型火箭将是一个不可重复使用的火箭。对蓝箭来说,短期目标是先实现不可重复火箭的稳定飞行,在这个过程中将火箭的设计、工艺以及总装测试等整个配套先稳固下来,再继续完成可重复使用的目标。

虽然重复发射不是蓝箭的短期目标,但“天鹊”发动机在设计层面已经考虑到了发动机在可重复使用方面的技术需求。

张昌武告诉 DeepTech,目前这款发动机具备了多次启动,以及在推进过程中的可变推力的指标上是可行的,但这也仅仅是硬件层面的一个基础能力。可重复,未来还需要在制导/导航与控制技术上有重大的突破,以及在重复的飞行中验证火箭的可靠性,才能最终在市场上真正提供可重复火箭发射服务。因此这是一个需要一步一步实现的过程。

如果一切顺利,蓝箭计划约在 2023 年开始验证火箭的可重复使用能力,先对一级火箭进行回收,再最终实现全箭回收。

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