航班化航天運輸系統對動力的發展需求與技術挑戰

包為民，汪小衛，董曉琳

(1.中國航天科技集團有限公司，北京 100048; 2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

我國航天動力技術經過60多年的發展，取得了輝煌的成就，有力支撐了長征系列運載火箭的創新發展，特別是我國新一代運載火箭的首飛和工程應用，為我國各類航天重大工程的順利實施奠定了堅實基礎。

當前，世界航天已進入以大規模互聯網星座建設、空間資源開發、載人月球探測和大規模深空探測為代表的新階段，進入空間需求正在快速增長，對航天運輸系統提出了越來越高的要求。航班化運輸系統已成為航天運輸系統的重要發展目標，以美國為代表的世界主要航天國家正在持續向航班化運輸邁進。

航班化航天運輸采用定期定線路的航班化運營模式，具有可靠、安全、經濟、便捷、舒適、環保的基本特點，其產品體系主要包括1 h全球抵達運輸系統、天地往返運輸系統和空間轉移運輸系統等，如圖1所示，具有長壽命、智能化、模塊化、標準化、產業規模化等技術特征。

圖1 航班化航天運輸系統功能及運行示意圖Fig.1 Function and operation schematic of space transportation system in airline-flight-mode

發展航班化航天運輸系統未來前景廣闊，意義重大，其性能指標提升跨度大，對我國航天動力技術提出了更高的要求，也是我國航天動力技術實現跨越式發展，趕超國際先進水平的良好契機。本文結合航班化航天運輸系統的概念特征及后續發展思路，提出了航班化航天運輸系統對動力的發展需求與技術挑戰。

1 航班化航天運輸系統動力技術的特征需求

圖2 航班化航天運輸系統動力主要產品組成Fig.2 Main propulsion product of space transportation system in airline-flight-mode

結合未來我國航班化航天運輸系統總體性能指標需求，提出如下我國航班化航天運輸系統動力技術發展指標需求：

1)飛行可靠性不低于0.999；

2)單次使用成本較當前下降1～2個量級；

3)單發動機總飛行次數達百次及以上，工作壽命達數小時及以上，具備12 h內快速檢測維護、再次使用的能力。

1.1 1 h全球抵達和天地往返運輸系統動力技術特征需求

為適應航班化航天運輸系統技術發展需求，發動機需具備更高的單次使用可靠性、更長的循環工作壽命；需要具備大范圍連續變推力和全空域大速域寬過載域多次點火的能力，滿足1 h全球抵達和天地往返運輸系統復雜任務剖面的工作要求；發動機關鍵部件的工作狀態要實現實時監測，薄弱環節的關鍵參數要實現全面可檢可測，同時要具備自主健康監控與故障診斷能力，以滿足長壽命工作的可靠性要求；發動機主要模塊需易維修、易拆卸、易更換，且發動機要具備智能快速測發能力，以支撐12 h內再次使用的要求。

1.2 空間轉移運輸系統動力技術特征需求

空間轉移運輸系統發動機同樣需具備更高的單次使用可靠性、更長的循環工作壽命；還需具備在軌微重力真空環境下按需可靠點火能力；由于在軌工作條件下多處于自主狀態，發動機關鍵部件的工作狀態要實現實時自主監測，薄弱環節的關鍵參數要實現全面自主可測，具備自主健康監控與故障診斷能力，以滿足在軌條件下對動力系統執行任務能力及可靠性評估；發動機為具備長工作壽命下正常工作能力，需備故障冗余與切換功能，以實現在軌條件下全生命周期無人維護。

2 航班化航天運輸系統對動力技術的總體發展需求

瞄準航班化航天運輸系統發展路線和動力技術發展指標要求，結合我國當前動力技術發展現狀，分析提出我國航班化航天運輸系統動力技術總體發展需求，全面支撐航班化航天運輸系統建設。

2.1 1 h全球抵達和天地往返運輸系統建設

近期，完成覆蓋120 t級液氧烴類重復使用火箭發動機技術攻關，參與全系統飛行試驗，具備工程應用條件。開展組合循環發動機技術攻關及原理性飛行試驗驗證。

在精彩的歌舞表演中，頒獎典禮高潮迭起。在眾人期待中，主持人正式公布本屆金樽獎金樽大獎及金獎名單，晚宴嘉賓為獲得金樽大獎的5款葡萄酒，獲得金樽獎金獎的19款葡萄酒頒獎、合影留念，并頒出“金樽獎微醺大師”等單項獎。

中期，實現覆蓋200 t級重復使用液氧甲烷火箭發動機工程應用，重復使用達50～100次，使用維護性能大幅提升，性能達到國際同期先進水平。實現組合循環發動機技術突破，支撐完成兩級入軌組合動力運載器飛行試驗，具備工程應用條件。

遠期，重復使用火箭發動機性能不斷提升。復合預冷組合循環發動機完成研制，具備支撐運載器單級入軌飛行能力。重復使用次數達100次以上，工作壽命達數小時以上，具備12 h內快速檢測維護、再次使用的能力。

2.2 空間轉移運輸系統建設

近期，提升當前氫氧末級發動機性能，具備多次起動和在軌數天的滑行能力；完成液氧烴類上面級發動機關鍵技術攻關；支撐我國高性能低溫空間運輸系統發展。開展大功率電推進等新型空間推進技術研究和攻關。

中期，不斷提升氫氧末級發動機性能，實現液氧烴類上面級發動機工程應用，具備在軌數周的滑行能力，技術成熟度與可靠性不斷提高。完成100kW級電推進發動機飛行驗證工作，具備工程應用條件。

遠期，空間低溫發動機性能不斷提升，具備在軌自主快速檢測維護、智能任務規劃和智能飛行能力；實現兆瓦級電推進發動機工程應用，空間核熱推進技術實現突破，與空間低溫推進技術搭配使用。

3 動力技術發展的挑戰

3.1 明確發展路線

一是實施火箭發動機型譜優化。我國已形成由液氫液氧、液氧煤油發動機組成的新一代運載火箭主力發動機型譜，包括YF—75、YF—75D、YF—77、YF—100、YF—115等。液氫液氧發動機推力覆蓋50 t級，液氧煤油發動機推力覆蓋120 t級，當前正在開展覆蓋480 t級液氧煤油發動機、覆蓋220 t級液氫液氧發動機以及覆蓋200 t級液氧甲烷發動機等多型發動機的研制或技術攻關工作，亟需結合我國航班化航天運輸系統未來發展需求，開展型譜優化，明確發展路線，實現梯度合理、指標先進、使用靈活、工作可靠。

二是明確重復使用發動機發展路線。在重復使用火箭動力類型的選擇方面，當前主要考慮液氧煤油和液氧甲烷兩種動力類型。表1給出了液氧煤油和液氧甲烷發動機性能對比情況，可以看出，液氧甲烷發動機比沖相較液氧煤油發動機高3%左右，且由于其含碳量較低，不易積碳，重復使用性能更好。

表1 液氧煤油與液氧甲烷發動機性能對比

表2給出了國際上重復使用運載火箭動力類型的選擇情況，可以看出兩種類型發動機均有應用，但重復使用液氧甲烷發動機更加廣泛。在組合動力發動機類型方面，當前研究類型多樣，包括RBCC、TBCC、ATR、TRRE、PATR等，也需在近幾年研究的基礎上，提出具有中國特色的發展路線。

表2 國際上重復使用火箭動力類型選擇

動力的選擇對航班化航天運輸系統未來的發展具有重要意義，影響深遠，需明確動力類型在航班化航天運輸系統中的應用和發展規劃。

3.2 轉變設計理念

動力系統功率密度大、工作參數高、工作環境惡劣，是制約航天運輸系統壽命提升的關鍵所在，發動機的重復使用和工作壽命是實現航天運輸系統航班化運營的重要影響因素。目前我國液體火箭發動機采用一次性使用設計，工作壽命在數百秒到數千秒，要實現百次及以上的重復使用和數小時以上的工作壽命充滿挑戰，需打破傳統、大力創新，轉變設計理念，實現從一次性使用到重復使用、從性能設計到壽命設計、從粗放式設計到精細化設計、從不易檢測到智能健康管理的轉變，不斷構建我國發動機重復使用和長壽命設計標準體系。

在重復使用和長壽命設計方面：

1)提升滿足重復使用任務需求的能力。實現發動機大范圍推力深度調節及性能保持、多次點火等能力，以滿足重復使用航天運輸系統的工作任務需求。

2)改進發動機系統設計。通過選擇固有重復使用性能高和工作壽命長的系統方案，并開展系統方案創新設計，從設計源頭為發動機重復使用和長壽命工作創造條件；在此基礎上，瞄準目標指標要求，適當降低發動機系統工作參數，為組件工作創造更良好的工作環境，提升發動機工作壽命。

3)建立發動機全壽命周期設計方法。以疲勞壽命、耐久性與損傷容限設計為基礎，制定發動機壽命設計模型及準則，形成全壽命周期設計方法。

4)建立重復使用和長壽命發動機壽命評估驗證方法。研究發動機部件損傷機理，開展微細觀力學本構模型研究，形成跨尺度仿真評估方法；建立壽命試驗評估方法，通過模擬工作環境，試驗考核零部件的有效壽命。

5)大量應用新材料、新工藝和新技術。應用新材料提升部組件在惡劣環境下的工作性能，應用增材制造等新工藝來降低消除非均質材料缺陷，并采用一體化精細化設計方法，提升發動機重復使用性能及長壽命工作能力。

在高效便捷使用維護方面，當前為了提高推質比、減小結構尺寸，火箭發動機結構設計緊湊，且裝配完成后很多組件難以或無法獨立拆解，使得發動機使用維護難度大、代價高。針對未來航班化航天運輸系統的發展目標，一是考慮發動機易組裝和易拆卸設計，特別是渦輪泵、推力室這樣的關鍵部件應用增材制造等先進工藝大幅減少或消除焊縫，采用模塊化設計，能夠方便地獨立快速拆卸，或在盡可能少影響其他部件的前提下實現快速拆卸，提高發動機的快速維護性能；二是采用超聲波、X光等先進檢測技術提高重復使用發動機可檢程度；三是采用智能化技術提升快速測試發射和檢測維護的效率、準確度及全面性，全面提高發動機使用維護快速性、便捷性和有效性。

3.3 加強基礎研究

當前我國主力液氧煤油和液氫液氧發動機在推力、比沖、推質比等關鍵性能方面與美國、俄羅斯等國際先進水平還存在明顯差距，需大力提升我國主力發動機設計研制水平，為航班化航天運輸系統動力技術發展指標的實現奠定基礎。存在差距的重要原因之一在于大量長期制約我國液體火箭發動機性能提升的基礎問題尚未得到根本解決，因此亟需加強相關基礎問題研究，包括高效燃燒組織及燃燒不穩定性問題、高壓大熱流環境傳熱與可靠冷卻問題、渦輪泵高速轉子動力學及異常振動問題、微重力環境低溫推進劑氣液兩相流問題、復雜流動精細組織及優化設計、復雜過渡過程系統動力學特性及參數精準預示以及全過程載荷環境預示與復雜結構疲勞失效機理等。

3.4 發展新型動力

發展以組合動力、爆震推進和大功率電推進技術為代表的新型動力技術，加快突破核心關鍵技術，提升性能和技術成熟度，盡早具備工程應用條件，更好地支撐航天運輸系統實現航班化運營。同時，需進一步探索以激光推進、核推進等為代表的未來新型動力技術。

4 結論

世界航天即將迎來大規模進出空間的“航班化航天運輸時代”，建設航班化航天運輸系統對動力技術提出了更高的要求。發展航班化航天運輸系統動力技術，機遇與挑戰并存，諸多難題有待解決。需立足我國現狀基礎，明確發展路線，轉變設計理念，加強基礎研究，發展新型動力，應用新技術，探索新方法，解決新問題，構建新體系，大力支撐建成世界一流水平的航班化航天運輸系統。