全球液氧甲烷火箭发动机研制进展系列——其他几个国家篇
时间: 2024-05-19 22:40:03 | 作者: 行业新闻
液氧甲烷火箭发动机具有无毒环保、高比冲、低成本、易于重复使用等特点，并且有在外星原位生产的潜力，能够较好地满足商业化火箭发射的需求，因此液氧甲烷发动机技术在近年来随着私人商业航天企业的蓬勃发展而突飞猛进，世界各个国家和地区涌现出一批成熟度各异的有代表性的型号。本系列文章尝试对近年来液氧甲烷发动机研制进展进行一些梳理，以飨读者。
在液氧甲烷发动机竞技场中，中美两国是最强壮的玩家，该领域其他国家的发展进度远为落后，与前二者不在同一水平线上。这一方面是因其他几个国家并不直接参与争霸，缺乏发展高技术产业的动机，另一方面也是因信息技术革命积累的财富主要沉淀在中美两国，其他几个国家只有少数的人才和资金支持航天这样的智力密集型和资本密集型行业。尽管如此，以欧洲国家为主力的其他几个国家也在尽力尝试发展一些液氧甲烷发动机型号。本系列第三篇文章介绍除中美外其他几个国家（包括欧洲国家和日本、韩国、印度）的液氧甲烷发动机研制进展。
意大利Avio公司历史悠远长久，最早主营航空发动机和大型船用发动机。1960年代，Avio开始踏足航天，为军方制造探空火箭，后来Avio公司做了一系列调整，开始开发Vega（织女星）小型运载火箭。Vega火箭的开发始于1998年，是一种四级火箭，前三级均采用固体火箭发动机，上面级采用肼燃料的液体发动机；2004年，Avio计划采用新的液氧甲烷上面级替换掉固体第三级和有毒上面级，将火箭改为三级方案；2007年，Avio与俄罗斯化学与自动化设计局（KBKhA）合作开发液氧甲烷发动机，他们在第一阶段论证了一个10吨级推力的液氧甲烷发动机方案，随后设计了一款7.5吨级的液氧甲烷发动机LM10-MIRA，该发动机是俄罗斯RD-0146氢氧发动机的衍生型号，于2014年6月在俄罗斯沃洛涅日成功试车，但就在当年，俄罗斯和乌克兰爆发冲突，俄罗斯单方面宣布并吞克里米亚，与西方关系迅速恶化，Avio与KBKhA的合作就此终止。在此之后，Avio在Vega-Evolution计划的支持下独自开发液氧甲烷上面级发动机，将之重新命名为M10。
M10发动机参数如表 1所示，发动机及其系统示意图如图 1和图 2所示。该发动机采用闭式膨胀循环，拥有重复启动能力，采用再生冷却燃烧室。发动机由气氢气氧火炬点火器点火，两涡轮串联布置，为推进剂增压，供给再生冷却回路和喷注器，甲烷既驱动两涡轮，也作为再生冷却燃烧室的冷却剂。有意思的设计是，甲烷和液氧管路上的专用阀门能调节发动机功率并管理发动机瞬态工作状态，安装在旁路中的调节阀RV能调节涡轮的功率，进而调节发动机入口处推进剂的流量。氧化剂流量由安装在液氧泵下游的节流阀TV直接控制，推进剂通过专用的燃烧室阀门OMV和FMV送入燃烧室组件。此外，系统还包括用于氧化剂和燃料的排放阀DV，它能够执行发动机的冷却、启动和关闭任务。
M10发动机的燃烧室采取了激光选区融化3D打印技术制造，共制造了四个不同的小尺寸技术验证件，其中三个通过了测试。截至2018年11月，这些燃烧室在意大利科莱费罗完成一系列试验，共点火20次，总点火时间370s。2020年2月，带有3D打印燃烧室的全尺寸M10发动机原型在NASA马歇尔中心完成试验，点火19次，总点火时间450s。2022年5月，M10发动机的试验在Avio公司位于撒丁岛的新试验台“新太空推进测试设施”进行，点火时间20s，这标志着欧洲第一台液氧甲烷发动机研制成功，同年7月，首轮系列热试车圆满结束，发动机总点火时间超过800s。
从公开资料来看，M10发动机可能缺乏逐步发展的潜力。一方面，它的推力仅有十吨，刚刚好跨过大中型发动机的分界线，只能给小型运载火箭使用，在越来越强调降低单位载荷成本的今天很难具备市场竞争力；另一方面，采用液氧甲烷推进剂的M10却用气氧气氢点火，无端增加了系统复杂度，而且甲烷密度随气温变化比氢要小得多，不是很适合采用膨胀循环方案。
目前来说，Vega-E火箭预计在2026年首飞，M10发动机的研制应不晚于此时。
普罗米修斯是欧洲航天局（ESA）委托Ariane Group开发的一个液氧甲烷发动机型号，该发动机计划未来在Themis可重复使用火箭演示验证机、Ariane Next运载火箭上采用，也有一定的可能替代已经接近研制完成的Ariane 6现有的液氧液氢发动机。普罗米修斯发动机重量占比70%的零件由3D打印制造，其参数如下表所示。
据Ariane Group网站信息，普罗米修斯发动机研制始于2015年11月；2017年12月，Ariane Group与ESA签署协议，研制两台发动机原型，2019年2月发动机设计定型，2019年11月在Space19+会议上获得普罗米修斯计划第二阶段资助，2020年计划在德国航空航天中心进行1号发动机的试验，但目前所有信息都停滞在2020年这一段时间点上， Ariane Group官网也没有信息更新，无从得知其研制进展。有信息称发动机已于2021年进行首次热试，但没有试验的照片或视频发布。
苏联是传统的航天强国，在冷战时期是与美国并列的双雄，开发了许多航天史上经典的发动机。然而，自从上世纪90年代解体以来，其主要继承者俄罗斯内外交困，缺乏资金和配套来开发新兴起的液氧甲烷发动机。根据禹天福[1]整理的资料，苏联解体后，俄罗斯发展和改装的液氧甲烷发动机（包括液氧液化天然气发动机）有超过20个型号，但没有一点一款已知的发动机进入实质开发阶段。进入21世纪后，俄罗斯尝试与欧洲国家合作开发新型号VOLGA，但进展缓慢，2014年后大部分合作更因为克里米亚事件全面停滞。目前，俄罗斯在政治、外交、经济、工业、市场和人才方面处于全方位劣势，独立和参与开发新液氧甲烷发动机的可能性微乎其微。
日本虽然不算航天大国，但在部分细致划分领域一直具有自己的研究特色。日本在1988年曾对甲烷作为火箭燃料开展过研究，H-2火箭研发时提出将LE-7发动机燃料改为甲烷，一级发动机推力达到1030kN，混合比为3.5，比冲可达3531.6m/s，但后来未能实际实施。1997年，日本开始研制J-II火箭，2001年更名为GX火箭，其二级采用LE-8液氧甲烷发动机，设计线，采用烧蚀喷管和燃气发生器循环。到2013年，LE-8共进行27次热试车，累计点火时间1800s，但后续GX火箭开发计划因内部不协调和成本问题被取消，LE-8和基于该型号的30kN和50kN发动机开发随之停止。目前，日本仅有JAXA领导的S-520探空火箭采用了试验性质的液氧甲烷爆震发动机，以及初创公司Interstellar Technologies计划研制用于ZERO火箭的小型液氧甲烷发动机，但该发动机仅在2020年3月进行了70%功率的五秒试车，后续也没有进一步的消息。此外，欧洲空客公司也与日本合作研制了420kN级液氧甲烷发动机ACE-42R，2013~2015年间对燃气发生器、燃烧室和涡轮泵进行了模拟验证，但从2017年后就没有更多消息了。
由于受到美国的限制，韩国航天实力一直不算强，但也有如C&SPACE公司开发的Chase-10这样的液氧甲烷发动机。Chase-10是C&SPACE与俄罗斯合作开发的，采用燃气发生器循环，泵压式推进剂供应，海平面推力92kN，线mm，高1955mm，重164kg。2006年，Chase-10完成热试车，验证了LNG用于再生冷却的有效性、涡轮泵性能和燃烧室的可重复使用性，但后续无进一步进展，目前没有听说韩国在开发新型号。
印度的航天工业是上世纪六十年代在苏联的帮助下起步的，与中国航天差不多同时，但目前来看其所取得的成就远不能相提并论，在商业航天和液氧甲烷发动机领域也是如此。有消息称印度空间研究组织（ISRO）正在尝试开发两种液氧甲烷发动机，一种是将液氢液氧发动机改装采用甲烷燃料，另一种是电动泵式的3吨推力小发动机。发射印度首枚私人火箭的初创公司Skyroot Aerospace声称正在开发3.5kN推力的Dhawan-II甲烷发动机，该发动机采用3D打印技术制造，已经进行了200s的热试车。尽管如此，从模糊的信息中仍然很难判断印度液氧甲烷发动机的实际进展。
总体来看，如前面所说，中美与其他几个国家的液氧甲烷火箭发动机总体水平拉开了不小的差距，在这一波火箭动力的爆发式发展中，仅有欧洲的M10进度尚可（但也仅仅是尚可），其他型号要么停留在设计阶段，要么已经停止研制，并且目前看不到他们未来有足够的意愿和动力前进。可以说，在液氧甲烷火箭发动机和商业航天发射的赛道上，目前有且仅有中美两名运动员，这个局面折射出的不仅是航天这类具有潜在军事用途的高科技行业水平的差距，更是未来一段时间里全球舞台上主角的扮演者。
参考文献：禹天福, 李亚裕. 液氧/甲烷发动机的应用前景[J]. 航天制造技术, 2007 (2): 1-4.
本文转载自“空天动力瞭望”，文：黄浩然，原标题《瞭望全球液氧甲烷火箭发动机研制进展系列——其他几个国家篇》。
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