國內外上面級發動機技術發展現狀與趨勢

（上海宇航系統工程研究所）

國內外上面級發動機技術發展現狀與趨勢

Development Situation and Trend of Domestic and Foreign Upper Stage Engine Technologies

趙自強 劉漢兵 吳志亮（上海宇航系統工程研究所）

近兩年，隨著我國的遠征—1、1A、2上面級相繼完成首飛，“遠征”系列上面級的型譜逐步完善。2015年3月30日，我國長征-3C/遠征—1上面級（又稱“太空擺渡車”）首次發射成功，將一顆“北斗”導航衛星送入預定軌道。2015年7月25日，長征-3B/遠征—1上面級以一箭雙星方式成功將兩顆北斗導航衛星送入預定軌道。2016年6月26日，長征-7/遠征—1A上面級（升級版“太空擺渡車”）成功將多用途飛船縮比返回艙、傲龍—1空間碎片主動清理飛行器、天鴿飛行器（2個）、在軌加注實驗裝置和翱翔之星等5項6個載荷送入預定軌道。2016年11月3日，長征—5/遠征—2上面級成功將實踐-17衛星送入預定軌道，遠征—2上面級是我國目前規模最大、變軌能力最強的上面級。

1 引言

上面級是介于基礎級火箭與有效載荷之間相對獨立的運載器，具備軌道機動轉移能力，將有效載荷送入預定軌道。上面級一般具有多次啟動、長時間在軌工作、多任務適應等特點。上面級是提高基礎級火箭運載能力和提升任務適應性的有效途徑，從20世紀50年代開始，以美國和蘇聯為代表的世界航天強國就開始了上面級研發，先后研制出了數十種類型各異、功能多樣的上面級。目前上面級應用廣泛，以2011年國外火箭發射情況為例進行統計，2011年國外火箭發射共65次，其中使用上面級共41次，占63%。

上面級發動機是提高上面級運載能力及多任務適應性的關鍵，因此國外對上面級發動機技術非常重視，各航天強國都積極研發先進的上面級發動機。本文以主要用于軌道機動的液體推進上面級主發動機為研究對象，對上面級發動機現狀和技術特點進行分析，以期找出一些趨勢性、規律性的結果，為我國上面級發動機后續的技術發展提供借鑒與參考。

2 上面級發動機需求分析

為使上面級具備較強的軌道機動能力和多任務適應性，對上面級關鍵的發動機系統提出了如下需求：

1）比沖高。隨著航天器發射市場的多樣化發展，中高軌直接入軌、多星發射與軌道部署、進入環月軌道及深空探測等任務對運載能力大的上面級提出了迫切的需求。發動機比沖越高，速度增量越大、推進效率越高，從而上面級運載能力越大、任務適應性越強，因此要求上面級發動機比沖高。

2）多次起動。目前航天器發射市場上不同軌道的多顆衛星組合發射、低地球軌道（LEO）/中地球軌道（MEO）星座部署等任務均要求上面級具備多次機動變軌能力，且對上面級機動變軌次數的需求隨著有效載荷數量、軌道數量的增加而增加。此外，為了完成深空探測、地球靜止軌道（GEO）直接入軌等任務，需要采取靈活的變軌策略，這對上面級長時間軌道滑行與多次啟動能力均提出了較高的要求。因此，為了提高上面級多任務適應性，要求上面級發動機具備多次起動能力。

3）工作時間長。多星發射、地球靜止軌道直接入軌、深空探測、星座部署、在軌服務等任務均要求上面級具備較長時間在軌工作能力，因此要求上面級發動機工作時間長。

4）可搖擺。在多星發射、星座部署等任務中，為適應衛星非對稱分離時由于大質心偏移帶來的干擾力矩，一般要求上面級主發動機可搖擺，從而通過發動機預先搖擺來對準上面級與衛星組合體的質心，以消除此項干擾力矩。

5）其他。另外，要求上面級發動機適應空間環境、推質比大、工作可靠、使用安全、維護方便、成本低。

3 國外上面級發動機技術發展情況

國外上面級發動機現狀

“阿金納”系列上面級發動機主要技術參數

國外研制了數十種性能良好、工作可靠的上面級發動機，以如下典型的上面級發動機為代表。

（1）美國

1）“阿金納”（Agena）上面級發動機。“阿金納”是美國第一種具有多次啟動能力并能在軌機動飛行的上面級。“阿金納”上面級與“大力神”（Titan）、“宇宙神”（Atlas）、“德爾他”（Delta）等基礎級火箭組合使用，是首次完成一次發射8顆衛星的運載器，它發射了美國第一批月球、金星、火星等探測器。“阿金納”系列上面級有阿金納-A、B、D、上升阿金納等4種型號。“阿金納”系列上面級發動機由貝爾公司研制。

2）“半人馬座”（Centaur）上面級發動機。

“半人馬座”是世界上第一種以液氧/液氫為推進劑的高能上面級。“半人馬座”上面級與“大力神”、“宇宙神”等基礎級火箭組合使用，發射了大量月球、火星、木星、金星、太陽等探測器及中高軌衛星。“半人馬座”系列上面級有半人馬座-D、D1-A、D1-T、G1、2、2A、3和通用“半人馬座”等8種型號。“半人馬座”系列上面級發動機由普·惠公司研制。其中，通用半人馬座上面級是在半人馬座-2A、3基礎上改進而成，根據不同的任務需求配置單臺或雙臺RL-10A-4-2發動機，發動機噴管可延伸，并采用冗余的點火模塊來提高發動機點火可靠性。

2014年12月13日完成NROL-35衛星發射任務的通用“半人馬座”上面級首次采用單臺RL-10C-1發動機，其真空推力101.8kN，真空比沖4418N·s/kg。

RL-10A-4-2發動機

RL-10C-1發動機

“半人馬座”系列上面級發動機主要技術參數

（2）俄羅斯

1）“弗雷蓋特”（Fregat）上面級發動機。“弗雷蓋特”上面級是一種自主、靈活的上面級，主要與聯盟號火箭組合使用，可以把有效載荷送入多種不同的軌道，主要用于多星發射、中高軌直接入軌、深空探測等任務。

“弗雷蓋特”系列上面級主要包括弗雷蓋特-M、MT、SB等型號。“弗雷蓋特”上面級采用可搖擺的S5.92發動機，由奇馬什設計局研制。S5.92發動機使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑。通過節流調節，S5.92發動機有大推力（19.85kN）和小推力（14kN）兩種工作模式，大推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級以較大速度變化進行軌道機動，小推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級以高精度或者較小速度變化進行軌道機動，大推力模式真空比沖3243.8N· s/kg、小推力模式真空比沖3096.8N·s/kg。S5.92發動機工作時間900s，可重復起動20次，已在飛行中驗證了6次重復起動。

2）“微風”（Briz）上面級發動機。“微風”上面級與“質子”（Proton）、“安加拉”（Angara）等基礎級火箭組合使用，主要執行地球同步轉移軌道（GTO）、地球靜止軌道（GEO）等中高軌道直接入軌發射任務。“微風”系列上面級主要包括微風-K、M、KM等型號。

“微風”上面級采用可搖擺的S5.98發動機。S5.98發動機使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，真空推力19.62kN，真空比沖3189.9N ·s/kg，工作時間3ks，可重復起動8次，并且安裝有備份點火模塊，該模塊能夠在主點火程序失敗情況下起動發動機。

（3）歐洲

歐洲航天局（ESA）研制了多型與阿里安-5（Ariane-5）火箭組合使用的上面級，既有常規液體上面級EPS、EPSV，也有低溫上面級ESC-A、ESC-B，主要用于地球同步轉移軌道等中高軌道直接入軌發射任務，且大部分任務采用“一箭雙星”發射方式。

1）EPS上面級發動機。阿里安-5G（基本型）上面級采用可搖擺的“艾斯特斯”（Aestus）發動機。“艾斯特斯”發動機使用四氧化二氮/一甲基肼推進劑，真空推力29.4kN，真空比沖3151N·s/kg，工作時間1040s，僅可起動一次。

2）EPSV上面級發動機。EPSV上面級是EPS上面級的改進型，其采用的“艾斯特斯”發動機真空推力30kN，真空比沖3158N ·s/kg，工作時間1045s，可重復起動5次。

3）ESC—A上面級發動機。ESC-A上面級采用可搖擺的HM-7B發動機。HM-7B發動機使用液氧/液氫推進劑，真空推力64.8kN，真空比沖4369N ·s/kg，工作時間970s，僅可起動一次。

4）ESC—B上面級發動機。ESC-B上面級采用“芬奇”（Vinci）發動機。“芬奇”發動機使用液氧/液氫推進劑，真空推力180kN，真空比沖4560N ·s/kg，可重復起動5次。由于長度限制，發動機采用可延伸噴管。

S5.92發動機

S5.98發動機

“艾斯特斯”發動機

HM—7B發動機

國外上面級發動機技術發展趨勢

分析國外上面級發動機的技術特點及發展脈絡，可以看出國外上面級發動機技術發展呈現以下趨勢。

（1）發動機比沖提高

1）通過發動機真空比沖的提高來提升發動機性能，從而提高上面級運載能力。“阿金納”系列上面級從最初的Bell 8048發動機改進為Bell 809633發動機，真空比沖從2697N ·s/kg增加至2853.7N·s/kg；半人馬座系列上面級RL-10A-3-3發動機經過多次改進后，優化為最終的RL-10A-4-2發動機，單臺發動機真空比沖從4354.2N ·s/kg增加至4418N·s/kg。

2）通過使用低溫推進劑大幅提高發動機真空比沖來提升發動機性能，大大增強了上面級的空間運輸能力。通用“半人馬座”上面級RL-10A-4-2發動機使用液氧/液氫推進劑，真空比沖可達4418N·s/kg，比目前使用常規液體推進劑中真空比沖最高的“弗雷蓋特”上面級S5.92發動機高1174.2N ·s/kg。采用高比沖的低溫推進劑發動機可極大地增加上面級總沖，從而大幅提高上面級運載能力，低溫推進劑優良的比沖性能吸引了各國發展低溫上面級發動機。歐洲航天局研制的ESC-A上面級HM-7B發動機使用液氧/液氫推進劑，真空比沖達到4369N ·s/kg；ESC-B上面級芬奇發動機也使用液氧/液氫推進劑，真空比沖高達4560N ·s/kg；俄羅斯研制的安加拉-A5火箭上面級（KVRB）11D56M發動機使用液氧/液氫推進劑，真空比沖4522N ·s/kg；日本研制的H-2A/B火箭上面級LE-5B發動機使用液氧/液氫推進劑，真空比沖4393N ·s/kg；印度研制的地球同步軌道衛星運載火箭（GSLV MK2）C12上面級發動機使用液氧/液氫推進劑，真空比沖4429.6N· s/kg。

3）通過可延伸噴管技術增加發動機面積比來提高上面級發動機比沖。“半人馬座”上面級RL-10A-4-2發動機憑借著強大的工藝水平采取噴管分段設計，由一個固定噴管和一個可延伸噴管組成，可延伸噴管使得發動機面積比增加。ESC-B上面級“芬奇”發動機也采用可延伸噴管。

（2）發動機起動次數增加

發動機起動次數增加，一方面可采用軌道滑行的方法提高上面級運載能力，另一方面可提高上面級多任務適應性。因此，國外不少上面級發動機均從最初的僅能起動一次發展為可起動多次。美國“阿金納”上面級Bell 8048發動機只能起動一次，改進后的Bell 809633發動機可起動3次以上；歐洲航天局的EPSV上面級艾斯特斯發動機在EPS上面級的基礎上改進，起動次數從一次增加至5次；歐洲航天局的ESC-A低溫上面級HM-7B發動機僅能起動一次，ESC-A上面級升級版的ESC-B上面級采用芬奇發動機，發動機起動次數也從1次增加至5次。

國外很多上面級發動機均可多次起動。俄羅斯任務適應性極強的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級S5.92發動機可起動20次；歐洲織女號（AVUM）火箭上面級RD-869發動機可起動5次；“質子”火箭D系列上面級11D58M發動機可起動7次。

（3）發動機工作時間延長

通過發動機工作時間的延長來提高上面級多任務適應性。“阿金納”上面級Bell 8048發動機改進為Bell 8096發動機，工作時間從120s延長至240s，延長了一倍；“半人馬座”上面級RL-10A-3-3A發動機的工作時間從最初的450s延長至505s。

（4）發動機可靠性提高

提高發動機可靠性的措施多種多樣，以下列舉2個有技術特色的國外上面級發動機提高可靠性的措施：

1）選用已有成熟的發動機，從源頭上確保了上面級發動機的可靠性。“弗雷蓋特”上面級S5.92發動機在應用于“弗雷蓋特”上面級之前已經在27種航天器上使用過，成功飛行了30年。

2）采用備份點火模塊，提高發動機點火工作可靠。微風-M上面級S5.98發動機可重復起動8次，并且有備份點火模塊，能夠在主點火程序失敗情況下重新起動發動機。

（5）發動機成本降低

通過多個型號共用高性能發動機來使發動機產品成本降低。“半人馬座”上面級最新采用的RL-10C-1發動機充分繼承了德爾他-4火箭RL-10B-2發動機和通用“半人馬座”上面級RL-10A-4-2發動機的成熟模塊，繼承了RL-10B-2發動機的燃燒室、噴注器、噴管以及RL-10A-4-2發動機的渦輪機、混合比調節控制器、點火冗余模塊等部組件。通過對RL-10B-2及RL-10A-4-2兩種發動機優化組合，RL-10C-1發動機成為一型性能優良、可靠性高、成本低的產品，作為“半人馬座”上面級、德爾他-4火箭末子級2個型號共用。

4 國內上面級發動機技術發展情況

國內上面級發動機現狀

國內現役上面級有遠征-1、2上面級，在研上面級有遠征-3上面級。

遠征-1、2上面級均是在國家某重大專項工程的需求牽引下研制，遠征-1上面級與長征-3A系列火箭組合使用，專用于“北斗”導航衛星“一箭一星”或“一箭雙星”發射任務。2015年3月30日遠征-1上面級首次發射成功，將一顆“北斗”導航衛星送入預定軌道，2015年7月25日遠征-1上面級以“一箭雙星”方式成功將兩顆“北斗”導航衛星送入預定軌道。遠征-1上面級采用液發-50D發動機，液發-50D發動機使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，真空推力6.5kN，真空比沖3095N ·s/kg，工作時間約1000s，可起動兩次。液發-50D發動機為燃氣發生器循環泵壓式液體發動機，由推力室、渦輪泵、火藥啟動器、燃氣發生器、閥門及管路等組成。遠征-2上面級與長征-5火箭組合使用，專用于“北斗”導航衛星“一箭四星”發射任務。遠征-2上面級采用液發-51D發動機，由液發-50D雙機并聯組成，真空推力13kN。液發-51D發動機真空比沖、工作時間、起動次數等其它性能與液發-50D相同。

遠征-3上面級與長征-2D、4B等火箭組合使用，主要用于中小衛星異軌多星發射及星座組網部署。遠征-3上面級采用可搖擺的液發-5000發動機，該發動機使用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，真空推力5kN，真空比沖3000N ·s/kg，工作時間1000s，可起動21次。液發-5000發動機為擠壓式再生冷卻發動機，由推力室、閥門、搖擺框架及管路等組成。

國內長征-3A系列火箭三子級液發-75發動機使用液氧/液氫推進劑，可起動兩次，單臺發動機真空推力82.8kN，真空比沖4292.4N ·s/kg，性能較好，可以作為對起動次數要求不高、用來提高基礎級火箭運載能力的上面級發動機使用。同時，目前國內也在開展20kN、30kN低溫上面級發動機預先研究。20kN低溫上面級發動機使用液氧/煤油推進劑，真空推力20kN，真空比沖3488.8N ·s/kg，可起動10次；30kN低溫上面級發動機使用液氧/甲烷推進劑，真空推力30kN，真空比沖3544.7N ·s/kg，可起動20次，工作時間1000s。

此外，國內“神舟”飛船2.5kN發動機、嫦娥-5軌道器3kN發動機、嫦娥-3著陸器7.5kN發動機等發動機均采用常規液體推進劑，真空推力約2920～3058N·s/kg，可多次起動，能夠作為對發動機比沖要求不高、用來提高多任務適應性的上面級發動機使用。

與國外上面級發動機的差距

與國外先進的上面級發動機技術相比，我國在上面級發動機技術發展上的主要差距如下：

1）國內現役及在研的常規液體上面級發動機比沖較低，發動機性能有待提高。遠征-1、2上面級液發-51D、50D發動機真空比沖3095N ·s/kg，比“弗雷蓋特”上面級S5.92發動機低148.8N· s/kg；遠征-3上面級FY-5000發動機真空比沖3000N· s/kg，比“弗雷蓋特”上面級S5.92發動機低243.8N· s/kg。

2）國內現役及在研的上面級發動機沒有使用高性能低溫推進劑，發動機性能相對較低。國內“遠征”系列上面級發動機均采用可貯存的常規液體推進劑，真空比沖3000～3095N ·s/kg，比ESC-B低溫上面級芬奇發動機低1465～1560N ·s/kg。而國內使用液氧/煤油、液氧/甲烷推進劑的低溫上面級發動機預研剛起步，短期內尚不能裝備于上面級上進行應用。

3）目前國內遠征-1、2上面級泵壓式液發-51D、50D發動機僅能起動兩次，發動機起動次數較少，遠征-1、2上面級只能用于抬升軌道來提高基礎級火箭的運載能力，多任務適應性較差。

5 我國上面級發動機技術發展建議

通過對國外上面級發動機技術特點與發展趨勢進行分析，結合我國上面級發動機技術發展現狀，為了縮小與國外先進上面級發動機的技術差距，對于我國上面級發動機技術的未來發展提出如下幾點建議：

1）提高常規液體上面級發動機性能。提高上面級發動機性能可以增大上面級的運載能力，提升上面級多任務適應性。建議對現役及在研的常規液體上面級發動機采取改進與優化設計、使用新材料、采用新工藝等措施來提高發動機性能。例如，可使用復合材料噴管以減輕發動機結構重量，提高發動機推質比。

2）提高泵壓式上面級發動機起動次數。目前國內泵壓式液發-51D、50D發動機僅可起動兩次，發動機起動次數較少，遠征-1、2上面級很難滿足不同任務的發射需求。建議開展上面級泵壓式發動機系統及各組件多次起動技術研究，突破其關鍵技術。

3）確保上面級發動機高可靠。為了確保上面級發動機高可靠，可采取以下措施：①在滿足功能性能的基礎上，盡量采用簡單的發動機系統設計方案，并減少發動機零部件數量，尤其是活動部件的數量；②組成發動機系統的部件、組件盡量選用成熟產品；③在發動機生產過程中盡量簡化制造工藝。

4）發展低溫上面級發動機。隨著航天推進技術的發展，不但要求發動機具有良好的性能，而且要求其對環境的污染小。低溫上面級發動機具有高比沖、綠色無毒等優點，其性能優于常規液體上面級發動機，是國內外上面級發動機技術發展的趨勢。常用的低溫推進劑有液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷，建議盡快開展以液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷作為推進劑的上面級發動機方案研究與關鍵技術攻關，尤其需重點解決低溫上面級發動機適應空間環境、推進劑長期在軌蒸發量控制等難題。

5）開展上面級發動機變推力技術研究。可變推力的上面級發動機能夠使上面級在不同飛行任務段采用不同大小的推力，從而增加上面級軌道機動的靈活性，提高上面級多任務適應性。通過改變推進劑流量進行混合比調節等措施可實現上面級發動機變推力。建議開展上面級發動機變推力技術研究，突破其關鍵技術。

6）跟蹤上面級發動機前沿技術。采用高能先進動力以進一步提升上面級發動機性能是未來上面級發動機技術發展的趨勢之一，建議緊密跟蹤國外對于電推進、核推進、離子推進、太陽能推進、混合推進等先進動力應用于上面級發動機的研發進展，可盡早開展采用先進動力的上面級發動機技術預先研究。

6 結束語

常規液體上面級發動機比沖提高、使用低溫無毒推進劑、發動機起動次數增加、發動機工作時間延長、發動機可靠性提高、發動機成本降低是上面級發動機技術未來發展的幾個趨勢。我國上面級發動機研制起步較晚，其技術水平與國外相比還有較大差距，建議國內上面級發動機研制在已有基礎上，采取以下措施來縮小與國外上面級發動機的技術差距：①通過逐步改進來提高現役及在研上面級發動機性能；②通過研制低溫上面級發動機實現發動機比沖性能質的提升；③不斷積累上面級發動機變推力技術。以此通過上面級發動機技術的進步來支撐我國先進上面級的技術發展。