2019年國外航天推進技術發展回顧

上海空間推進研究所

苗思薇 黃振芝

一 引 言

2019年，是世界航天活動蓬勃開展的一年，全年共進行了103次航天發射任務，也因此實現連續兩年發射次數“破百”。在航天應用需求的大力牽引下，美國、歐洲、日本等國家和地區在航天推進技術領域碩果頗豐，并逐步形成多維度、全方位的創新發展格局。在液體推進技術方面，主要由商業載人航天計劃牽引，“獵鷹”9號火箭一級發動機、BE-7火箭發動機、CST-100飛船的推進系統等完成了一系列點火試驗。在電推進技術方面，呈現爆炸式增長趨勢，霍爾推力器、肼電弧推力器等相繼應用于各類衛星，大功率電推進系統開展全功率試驗。在固體推進技術方面，“獵戶座”飛船的發射中止系統完成逃逸試驗，分離發動機完成研制。在吸氣式推進技術方面，美國諾思羅普·格魯曼（Northrop Grumman）公司研制的吸氣式高超聲速發動機推力超過57.8kN，創下美國空軍在該領域的新紀錄。在固液混合推進技術方面， 英國維珍 銀河（Virgin Galactic）公司的“團結號”太空船成功地被發射到太空邊緣，該太空船采用可提供320kN推力的固液混合發動機，持續工作近60s；而為提高燃燒效率，增材制造技術正逐漸應用于先進的固液混合火箭。在其他先進推進技術方面，美國國家航空航天局（NASA） 在 2019年完成了用于核熱推進的低濃縮鈾反應堆重要概念設計評估和研究工作，并將重點關注模塊化、可持續性設計。此外，引力推進和量子推進的理論研究也取得了相關進展。

二 液體推進技術

（一）美國

2019年，NASA的商業載人航天計劃獲得重大進展。2019年3月，美國太空探索（SpaceX）公司的“獵鷹”9號火箭搭載“載人龍”飛船，完成了首次無人測試發射，并成功回收了火箭一級助推器；4月，成功完成對承擔首次載人發射任務的“獵鷹”9號火箭一級發動機的靜態熱試車考核。2019年5月，美國藍色起源（Blue Origin）公司打造的 New Shepard亞軌道飛行器進行了飛行試驗，以為載人飛行做準備；同期，該公司的BE-7發動機首次公開亮相，這是一款高效的變推力發動機，具有重啟能力并可為空間推進提供動力。同月，美國波音公司的 CST-100 Starliner完成了關鍵推進系統試驗，試驗模擬了推力器在軌機動和高低空狀態下的任務中止模式。

在新一代運載火箭方面，美國聯合發射聯盟（ULA）公司的新一代運載火箭Vulcan Centaur在2019年5月完成了最終設計評審，該火箭的第一級采用BE-4發動機，上面級采用RL-10發動機。 2019年8月，美國內華達山脈（SNC）公司宣布其公司的迷你版太空飛機 Dream Chaser將使用Vulcan Centaur火箭進行發射；“追夢者”（Dream Chaser）航天飛機已于2018年12月完成了最終設計評審，并進入投產階段。美國Aerojet Rocketdyne公司恢復了RS-25發動機熱試車，此外，還交付了8臺490N R-4D輔助發動機，用于“獵戶座”飛船的歐洲服務模塊。2019年8月，NASA的太空發射系統火箭全尺寸模擬件，被吊裝到 斯坦尼斯航天中心的B2試驗臺上（見圖1），進行了操作演練，為計劃在2020年5月用于EM-1任務的 SLS芯級發動機安裝和熱試車作準備。

圖1 太空發射系統火 箭芯級在斯坦尼斯航天中心B2試驗臺進行操作演練

在小推力器方面，2019年1月，Aerojet Rocketdyne公司的單組元肼推力器驅動“新視野”號探測器飛到太陽系的邊緣，距 離柯伊伯帶的Ultima Thule天體僅有3500km。2015年7月，它曾飛越了冥王星，并傳回史上最清晰的冥王星照片。“新視野”探測器的推進系統包括16臺單組元肼推力器，其中4臺4.4N推力器用于軌道修正，另外12臺0.8N推力器用于對探測器的加速或減速自旋。2019年6月，作為Aerojet Rocketdyne公司、美國鮑爾航空航天公司、NASA和美國空軍研究實驗室合作項目的一部分，N ASA首次在太空測試了無毒的玫瑰色液體推進劑AF-M315E及其推進系統。

在增材制造技術方面，2019年2月，美 國維珍軌道（Virgin Orbit）公司研制的全尺寸、3D打印的高壓液氧/煤油火箭發動機燃燒室在NASA位于美國阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心完成了試驗，該燃燒室采用了增材制造技術打印的銅合金GRCop-84材料。試驗點火時間為2460s，推力達8900N。2019年 4月，Aerojet Rocketdyne公司還完成了其新一代RL10C-X發動機的初步試驗，該發動機使用了3D打印的噴注器和推力室。

（二）歐洲

2019年，歐洲阿里安集團對“阿里安”6號運載火箭的低溫推進系統進行了鑒定試驗；6月，Vinci上面級發動機通過了最終鑒定評審；7月，一級發動機Vulcain 2.1版本完成了鑒定試驗，累計工作時間為 13800s。Prometheus發動機是歐洲研發的低成本可重復使用發動機的樣機，也是歐空局（ESA）未來在運載器籌備計劃的重要部分，其推進劑為液氧和甲烷。Prometheus液氧甲烷發動機完成了分系統的生產準備評審工作，并計劃于2020年對2臺工程樣機進行熱試車試驗。

（三）日本

2019年，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）繼續為新一代火箭“H3”打造LE-9一級發動機和LE-5B3二級發動機，爭取在2020年實現首次發射。LE-9發動機長約3.75m，噴管出口直徑約1.8m，質量為2.4t，于2019年10月完成了工程樣機的熱試車，12月在種子島航天中心啟動鑒定試驗。“H3”火箭的一級并聯點火試驗（2臺LE-9發動機）早在2018年12月就已經啟動，于2019年12月在Tashiro試驗場完成鑒定試驗。LE-5B3發動機于2019年2月在Kakuda航天中心和Tashiro試驗場完成了鑒定試驗。

三 電推進技術

（一）美國

NASA噴氣推進實驗室正在研制適用于星際航行的先進亞千瓦級電推進系統，目標達到150～1000W的節流范圍和100kg的氙氣消耗量，峰值系統效率不小于50%，推力器、功率處理單元、流量控制器和萬向節的干重不大于10kg。2019年7月，NASA“Psyche”任務中JPL與美國Maxar公司聯合研制的改進型SPT-140霍爾電推進系統完成全系統測試，計劃于2022年發射，并在2026年與“Psyche”16小行星交會對接。“Psyche”任務是NASA探索計劃的一部分，旨在利用一枚深空探測器對小 行星“Psyche”進行探測。

2019年2月，Aerojet Rocketdyne公司研制的4臺XR-5霍爾推力器組搭載Hellas-Sat衛星發射；8月，4臺XR-5推力器搭載AEHF-5號衛星發射。同年4月，Aerojet Rocketdyne公司研制的肼電弧推力器搭載“阿拉伯”6A衛星和另一顆地球靜止軌道衛星發射，用于南北位置保持。大功率電推進將很快成為NASA載人航天計劃的一部分。2019年5月，NASA將月球“門戶”計劃的能源與推進模塊合同授予Maxar公司，能源與推進模塊將攜帶2臺Aerojet Rocketdyne公司研制的13kW先進霍爾電推進系統和4臺Busek公司研制的6kW霍爾推力器。8月，13kW的霍爾推力器進行了全功率試驗，發射時間定于2022年。2019年 9月，Aerojet Rocketdyne公司和分包商美國俄亥俄州的ZIN技術公司完成了第一批計劃飛行驗證的7kW NEXT-C離子推進系統的裝配工作。2021年，NEXT-C將會搭載NASA雙小行星進行重新定向任務（DART）發射。

2019年初，美國Busek公司研制的BHT-200霍爾推力器開始在2018年12月發射的FalconSat-6衛星上工作。2019年11月，Busek公司交付了首臺小功率碘工質離子推力器飛行系統，并于12月交付了另外2臺。Busek公司的BHT-600霍爾推力器的長程試驗持續到11月，在600W工況下，累計工作時間6300h，總沖為860kN·s，氙消耗量60kg。

2019年9月，美國阿斯特拉（Astra）火箭公司啟動了可變比沖磁等離子體火箭VX-200SS的測試程序（見圖2），并實現了100kW工況下熱穩態工作的里程碑式突破。Astra火箭公司還對技術成熟度為5級的120kW功率處理單元進行了全功率測試，測試結果顯示其效率已達到98%。

圖2 Astra火箭公司的100kW可變比沖磁等離子體火箭發動機羽流

2019年5月，60顆使用氪氣霍爾推力器的衛星發射并在軌運行，標志著SpaceX公司的“星鏈星座”計劃已初具規模。SpaceX公司已獲得美國聯邦通信委員會（FCC）的批準，可以再發射數千個衛星。2019年5月，美國Accion公司完成了一個測試單元的2500h不間斷點火，總沖達到100N·s，創造了電噴推力器芯片技術的記錄。

（二）歐洲

2019年伊始，歐空局的“貝皮·哥倫布”（Bepi Colombo） 水星探測器繼續向水星靠近，探測器的動力系統使用QinetiQ公司的離子推力器，功率處理單元由Airbus-Crisa研制。BepiColombo在2018年發射，計劃于2025年抵達水星。

2019年2月，OneWeb衛星公司發射了其首批研制的6顆衛星。該公司的小功率電推進系統，由歐洲空客公司設計，采用氙氣霍爾推力器，先進電子設備和推進劑調節系統。電推進分系統也是空客Arrow衛星平臺的一部分。

（三）日本

日本東京大學的研究人員研制并測試了一種3U立方星AQT-D，該衛星裝備了一臺以水為工質的1U電阻加熱推力器QUARIUS， AQT-D衛星于2019年9月發射到了國際空間站。

四 固體推進技術

（一）美國

2019年6月，Aerojet Rocketdyne公司交付了用于“獵戶座”飛船的分離發動機，取得了具有里程碑意義的重大進展。一 旦發射任務失敗，分離發動機負責在乘員艙與主飛行器分離并重新定向后，將“獵戶座”的發射中止系統與乘員艙分離，使乘員艙安全降落至大西洋。

Northrop Grumman公司也參與了“獵戶座”載人飛船的研制。2019年7月，“獵 戶座”飛船進行了發射中止系統的逃逸試驗（見圖3），使用了Northrop Grumman公司提供的從Peacekeeper洲際彈道導彈改進而來的助推器。此外，Northrop Grumman公司還提供了逃逸發動機和姿控發動機。

2019年，Nor throp Grumman公司對其他幾種固體燃料火箭發動機進行了多次試驗。4月，該公司對新研制的直徑為1.6m的石墨環氧發動機進行了第二次地面試驗。該款發動機簡稱GEM 63，為捆綁式固體助推器，其將為ULA的“宇宙神”5號火箭提供額外的推力。5月，Northrop Grumman公司的新型火箭OmegA的一級固體發動機完成了試驗，發動機持續點火時間為122s，推力超過8900kN。

圖3 “獵戶座”進行發射中止系統飛行試驗

（二）歐洲

2019年1月，歐空局、法國國家空間研究中心和歐洲推進公司合作，對P12 0C固體火箭發動機的首個鑒定模型進行了第二次試驗。阿里安集團和Avio公司共同研發了P120C，以支持“阿里安”6號和Vega-C火箭。該發動機被安裝在一個整體式碳纖維殼體內，成為世界上最大的單體碳纖維固體發動機。

五 高速吸氣式推進技術

（一）美國

2019年8月，美國空軍宣布，Northrop Grumman公司制造的吸氣式超燃沖壓發動機創下空軍新紀錄。美國空軍用了9個月的時間對這個5.49m長的發動機進行了測試，測試中發動機總共運行了30min，在發動機以高于馬赫數為4的速度條件下產生了高達近57.8kN的推力。試驗是在田納西州空軍阿諾德工程發展中心的氣動與推進試驗單元（APTU）進行的，如圖4所示。

與美國空軍的上一個大型超燃沖壓發動機項目X-51的飛行試驗相比，這臺5.5m長的發動機成功地越過了一系列超聲速馬赫數，達到了前所未有的運行時間。美國空軍研究實驗室航空航天工程師Todd Barhorst在一篇新聞報道中說道：“10倍于X-51流量的新發動機將使更大尺寸量級的超燃沖壓發動機成為可能”。Todd Barhorst負責中等尺寸關鍵部件超燃沖壓發動機項目。該項目是美國空軍研究實驗室于2011年啟動，旨在研究10倍于X-51A的較大尺度超燃沖壓發動機技術項目。其硬件工作條件是：中等馬赫數，空氣流量是X-51A的10倍（45.4kg/s）。為滿足 10倍流量的試驗要求，需對APTU的現有測試系統進行大幅改進，包括燃料加熱系統、發動機點火系統和3個可換的直連噴口。2012年，美國空軍實驗室啟動了這些系統的升級改造工作，并一直持續到2014年。這次試驗的成功得益于APTU為期2年的升級改造。

圖4 在阿諾德工程發展綜合體的氣動與推進試驗單元，1臺超燃沖壓發動機創下新記錄

2019年6月，美國普渡大學獲得了一份美國空軍實驗室授予的價值590萬美元的合同，為計劃在該大學建造的馬赫數為8的安靜風洞進行風險降低和設計研究。

（二）加拿大

2019年7月，加拿大航天發動機系統公司對一臺4kN推力級的發動機進行了整機試驗，模擬了從起飛到飛行到近30km的高空，達到馬赫數為5的工況。該公司的目標是打造一架單級入軌飛行器，以超燃沖壓發動機為動力。2019年，該公司完成了無連接鈦合金熱交換器的性能驗證，僅用了不到11ms的時間就降低了3.9MW。將納米顆粒注入上游氫氣中，傳熱速率提高了40%，從而確認了選擇碳化硼納米顆粒用于快速預冷、沖擊波控制，以及增強燃燒的性能。

（三）歐洲

德國航空航天中心（DLR）的空間推進研究所進行了系列試驗，研究超燃沖壓發動機的聲流不穩定性和發汗冷卻系統的適用性，以及楔形/火焰穩定器與冷卻劑二次流之間的相互作用。德國航空航天中心的試驗站位于德國巴登符騰堡州，燃燒室入口條件可以模擬馬赫數為5.5～8的飛行速度。2019年1月，該試驗站進行了升級改造，具備了光學測量能力，并安裝了高速和偽彩色背景定向紋影儀。該中心對試驗站的激波發生器位置進行了研究，用氣氫作為二次冷卻劑，經過不同多孔壁段，研究激波邊界層的相互作用。多孔壁段是用燒結不銹鋼和碳纖維增強陶瓷材料制成的。這些相互作用提高了氣氫的冷卻效率，同時反射/撞擊沖擊波和相互作用使冷卻劑點火。 5月，德國航空航天中心還重點研究了燃燒室氣流、噴嘴氣流和入口氣流的聲學不穩定性。研究證明，噪聲頻率會對噴嘴和入口氣流造成影響，但噪聲大部分會被燃燒室吞沒。

（四）日本

JAXA在2019年4月完成了一臺縮小比例高超聲速發動機和試驗飛行樣機的建造，簡稱高馬赫數集成控制試驗。

（五）印度

2019年6月，印度國防研究與發展組織（DRDO）對其高超聲速技術驗證飛行器進行了飛行試驗，該飛行器是無人駕駛的超燃沖壓發動機驗證機，短時工作能力約為20s。該試驗是在孟加拉灣的阿卜杜勒卡拉姆島進行的。

六 固液混合推進技術

2019年2月，維珍銀河公司將維珍“團結號”太空船（見圖5）發射升空，共搭載3人，包括1名乘客和2名駕駛員。這艘飛船由1臺固液混合發動機驅動，持續工作近60s，提供320kN的推力，飛行馬赫數為3.04，遠地點高度近90km，飛船隨后將返回加利福尼亞州的莫哈韋太空港。

美國斯坦福大學的研究人員驗證了實驗室規模平板燃燒室混合燃料藥柱的激光點火。他們在2019年7月展示了高速成像結果，確定了底層點火機理是在燃料熱解和化學分解過程中形成的微小煤煙顆粒的夾帶和激光加熱。用幾個簡單光學器件組合而成的小型、輕質激光二極管，給燃料面特定點提供能量，加熱煤煙顆粒，使其溫度遠遠超過燃料熱解所需的溫度。然后這些顆粒將能量傳給被蒸發的推進劑混合物，點燃發動機。實驗證明，只有產生煤煙的那些燃料適用于這項技術，但該方法有望得到更廣泛的推廣應用。試驗用的是單噴嘴發動機，嵌入較大、無煤煙產生的燃料藥柱內，激光器對準相容燃料的小靶域。試驗驗證了發動機在大氣、真空出口條件下的點火情況。

2019年，NASA的 JPL和馬歇爾太空飛行中心繼續進行火星上升飛行器的技術研發，該飛行器的目標是將火星表面采集的樣本送入軌道。為此，美國Whittinghill Aerospace公司分別于2019年4月和7月，在莫哈韋航天港對一臺全尺寸發動機進行了測試，發動機采用石蠟基燃料，氧化劑為氮氧化物MON-25。測試用的發動機和氧化劑按照推測的火星操作溫度-20℃進行調控。在這項研究中，研究人員實現了持續60s的高性能、穩態燃燒。

圖5 維珍“團結號”太空船試飛成功

此外，2019年8月，普渡大學的研究人員宣稱，他們的研究結果表明，在含MON-25的燃料藥柱前端添加不同的自燃固體顆粒，石蠟基混合發動機可以實現自燃點火和多次重復點火。試驗結果與之前完成的MON-3試驗一致，其中有些試驗中出現了點火延遲現象。

為提高燃燒速率和效率，先進固液混合火箭發動機廣泛地采用了增材制造技術。2019年，美國Aerospace Corporation公司生產了中空的液體燃料藥柱，利用3D打印技術來測量煤油等液體燃料的輸送量。這種安排兼顧了液體發動機的性能和固液混合發動機的安全性與簡易性的優點。2019年上半年，該公司試飛了一枚先進的混合動力火箭，其上采用了這種新型液體燃料藥柱和一臺54mm口徑的火箭發動機。

在另一個項目中，美國Aerospace Corporation公司和美國賓夕法尼亞州州立大學繼續研制用于立方星的混合推進單元。2019年年初，賓州州立大學的合作研究人員驗證了該混合推進單元的啟動、停機和重啟能力，之后將其送回宇航公司進行進一步的研究。該推進單元包括一個3D打印固體燃料藥柱，置于燃燒室內，被環形氧化劑貯箱包圍。燃燒室/貯箱組件是用直接金屬激光燒結工藝制造的，利用了3D打印技術，用激光將金屬粉末熔化在一起。這項技術簡化了具有熱性能和機械性能的復雜零件的生產工藝，而這些性能是推進系統所需要的。

七 核推進技術

自 2016年 以來，NASA一直致力于用于核熱推進的低濃縮鈾反應堆的研究。由NASA牽頭的低濃縮鈾核熱 推進項目旨在研制一臺驗證機，用于載人登陸火星任務的測試，并計劃于2030年之前進行飛行驗證。2019年NASA完成了對低濃縮鈾核熱推進的重要概念設計評審和研究 工 作。2019年5月，Aerojet Rocketdyne公司對LEU-NTP發動機的性能預測模型進行了改進。2019年7月，NASA馬歇爾太空飛行中心的研究人員通過各種設計流程，重新審查了驗證飛行器的概念。2019年8月，一項研究報告稱雖然低濃縮鈾反應堆的質量比高濃縮鈾反應堆高，但其設計可以滿足核熱推進項目的任務、壽命和可操作性要求，同時不太需要擔憂安全性和擴散問題。美國能源部的桑迪亞國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和愛達荷國家實驗室與馬歇爾太空飛行中心和美國BWX技術公司合作，為低濃縮鈾核熱推進燃料選擇和反應堆設計開辟了一條前進道路。2019年8月，Stan Borowski等人對核熱推進和就地資源利用方面的最新設計研究工作進行了總結，可將這兩種技術結合起來進行可行性實驗。該研究對使用核熱推進任務規劃和建模至關重要。

在其他先進推進領域，2019年4月，NASA創新先進概念辦公室在第二階段中期檢查會上，授予美國加州州立大學 富爾頓分校榮譽稱號，以獎勵其在2018年中對馬赫效應做出的卓有成效的工作。馬赫效應是引力推進的一種理論形式，不排出物質，只使用電能實現推進的目的。德國、加拿大、意大利及美國等國研究人員通過大量實驗開展推力平衡校準、實驗程序、信號放大和理論修正等方面研究工作。目前，馬赫效應裝置產生的力小于10μN，但信號的真實性和來源尚不能確定。一旦該理論被驗證，馬赫效應將為新的物理學推進技術鋪平道路，并將在空間系統之外的領域得到廣泛的應用。

2019年8月，美國伊利諾伊州量子場公司、美國得克薩斯州高等研究所、美國貝勒大學天體物理中心空間物理與工程研究所的研究人員發表了一項新成果，內容是關于制造和獲取廣義相對論理論上所需的負量子真空能量密度，以產生新的推進方案，如曲速引擎和蟲洞。這項工作提出了一個驚人的事實，即產生這種能量所需的量子不確定性理論尚未經過實驗驗證。研究人員分析了已知的各種技術方案，用被稱為“壓縮光”的技術產生“壓縮真空態”，并發現這些限制與公開出版的量子光學壓縮光實驗相違背。Casimir效應（兩個Casimir腔壁之間存在負真空能量密度）也有望證明量子不確定性理論與試驗結果是相違背的，但這次試驗由于存在大量的技術難題，尚未在實驗室得到驗證。量子不確定性理論與試驗相違背的結果是大自然并沒有對技術上產生和獲取負真空能量密度施加任何真正意義上的限制；這一結果意味著對于產生曲速引擎或可穿越的蟲洞，在獲得比光速更快的動力實現星際飛行這方面不應該人為地設置障礙。

八 結束語

回望2019年，美國、歐洲、日本等國家和地區成功試驗了多款火箭發動機和空間推進系統，支持了新一代運載火箭、商業乘員計劃等項目的研制，取得了具有里程碑意義的進展。展望2020年，全球航天產業將迎來“超級大年”，多款新型火箭即將迎來首飛，商業載人航天蓄勢待發，深空探測密集開展。未來，在航天項目的牽引下，航天推進技術也將取得更多的進展和突破。