商業運載火箭主發動機技術發展現狀分析與展望

摘 要：運載火箭是實施航天活動、進入太空的重要運輸工具。現首先闡述了主發動機是運載火箭的核心部件；隨后詳細介紹了固體和液體兩種火箭發動機的工作原理、組成結構和特點，分析了國內外商業運載火箭主發動機發展現狀和技術特點；最后，從市場競爭角度出發，總結了商業運載火箭主發動機的發展過程和發展趨勢。

關鍵詞：商業運載火箭；固體火箭發動機；液體火箭發動機

中圖分類號：V43" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.020

0" " 引言

2014年，國務院出臺了《關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》，首次提出鼓勵社會資本參與民用空間基礎設施建設，空間領域正式對全社會開放，隨后各類商業航天公司相繼成立，中國商業航天進入了快速發展軌道[1]。

1" " 主發動機技術特點

運載火箭是進入太空、探索太空的重要運輸工具，是開展航天活動的重要保障基礎。運載火箭主發動機是運載火箭的核心部件，是火箭的心臟，技術復雜，成本高昂，占火箭整體成本的30%～50%。根據運載火箭的飛行要求，主發動機應具備大推力、高可靠、高比沖、低成本、使用維護簡單等理想特征。

火箭主發動機按使用的推進劑物態分類，目前有兩種形式——固體火箭發動機和液體火箭發動機。固體火箭發動機是一種采用固體推進劑，燃燒后產生高溫高壓燃氣，經過噴管能量轉換后高速排出，產生反作用力的動力裝置。如圖1所示，固體火箭發動機主要由推進劑藥柱、燃燒室殼體、噴管和點火裝置等組成，工作時，點火裝置點燃推進劑藥柱，藥柱燃燒轉化成熱能，通過噴管膨脹噴出，產生推力。常用的推進劑有端羧基聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等，其理論比沖一般在250～290 s，推進劑出廠前預先裝填至燃燒室內，化學性能穩定，便于運輸和長期儲存，火箭整體運輸至發射場，完成測試后即可實施發射，但固體推進劑一旦被點燃，中止其燃燒極其困難，無法實現多次起動[2]。

液體火箭發動機是一種采用液體推進劑，利用自身攜帶的推進劑，在燃燒室內燃燒轉化為熱能，流經噴管后高速射流排出，產生反作用推力的動力裝置。如圖2所示，液體火箭發動機主要由推力室、推進劑供應系統、閥門和調節器、發動機總裝元件等組成。以常用的泵壓式發動機為例，點火裝置起動點燃，給渦輪泵一個初始驅動力，渦輪泵工作將貯箱內的推進劑抽出，通過閥門的控制和調節器的調節，使推進劑以規定的流量和混合比進入推力室燃燒，然后在噴管內膨脹加速，形成高速氣流排出，產生推力。常用雙組元推進劑有液氧/煤油、液氧/液氫、液氧/甲烷等，其理論比沖一般在330～430 s，其推進劑在發射場實施加注，準備時間較長，不能長期儲存，但通過閥門開關和動作，能夠實現多次起動和推力調節[3-4]。

2" " 主發動機技術路線選擇

商業運載火箭活動是指各類企業以盈利為目的，按照市場機制，進行運載火箭研制、生產和發射的行為。企業根據自身認知理念、資源稟賦和發展愿景，自主選擇運載火箭的技術路線，進行市場競爭。

2.1" " 國內主發動機技術路線選擇

2.1.1" " 藍箭航天

2018年10月，藍箭空間科技有限公司研制的首枚民營運載火箭朱雀一號遙一發射升空，升空402 s后因末修姿控動力系統工作異常，未能進入預定軌道，發射任務失敗。

朱雀一號是一款三級運載火箭，一、二、三級均采用固體發動機，總長為19 m，起飛質量為27 t，起飛推力為45 t，500 km太陽同步軌道運載能力為200 kg。后續未再進行發射（注：本文數據統計至2022年12月底）。

朱雀二號是藍箭航天研制的一款液體運載火箭，采用兩級串聯構型，不具有重復使用能力，總長為49.5 m，起飛質量219 t，起飛推力268 t，500 km太陽同步軌道運載能力4 000 kg，一級采用四臺天鵲-12發動機并聯，二級采用一臺天鵲-12主發動機和一臺天鵲-11游動發動機并聯。天鵲-12發動機使用液氧/甲烷推進劑，采用燃氣發生器開式循環，海平面推力67 t，海平面比沖286 s，推力可調節范圍50%～110%，設計可使用次數大于10次，具備可重復使用能力。天鵲-11發動機使用液氧/甲烷推進劑，真空推力8.2 t，真空比沖333 s，設計使用次數1次。2022年12月，朱雀二號遙一運載火箭發射，一級、二級主發動機天鵲-12工作正常，二級游動發動機天鵲-11工作異常，發射任務失利，但天鵲-12主發動機經歷了飛行驗證，工作狀態良好。

2.1.2" " 星際榮耀

2019年7月，星際榮耀空間科技有限公司研制的雙曲線一號遙一運載火箭成功發射，將衛星及有效載荷送入300 km軌道，實現了中國民營商業運載火箭入軌零的突破。

雙曲線一號是一款四級串聯構型的固體運載火箭，如圖3所示，自2018年4月開始研制，一、二、三、四級均采用固體發動機，總長為24 m，起飛質量為42 t，起飛推力為77 t，500 km太陽同步軌道運載能力大于300 kg，700 km太陽同步軌道運載能力225 kg。遙一發射成功后，后續發射的遙二、遙四、遙五均失敗。

雙曲線二號是星際榮耀正在研制的一款可重復使用的液體運載火箭，目標是實現一級30次的重復使用，總長為28 m，起飛推力為106 t，采用兩級串聯構型，一級采用九臺焦點一號發動機并聯，二級采用一臺焦點一號發動機。焦點一號發動機使用液氧/甲烷推進劑，真空推力15 t，真空比沖大于355 s，推力可調節范圍40%～105%，具有多次起動和可重復使用能力。焦點一號已完成二次起動試車，實現了500 s在50%～100%推力范圍內的連續穩定工作，但尚未進行垂直起降飛行試驗，尚未實現首飛。

雙曲線三號是在雙曲線二號技術基礎上預研的運載火箭，其基本型采用兩級串聯構型，一級采用九臺焦點二號發動機并聯，二級采用一臺焦點二號發動機，焦點二號發動機仍使用液氧/甲烷推進劑，真空推力105 t，真空比沖350 s，推力可調節范圍40%～115%，起動次數3次，可重復使用20次，焦點二號已完成設計方案合理性驗證試驗。

2.1.3" " 星河動力

2020年11月，星河動力空間科技有限公司研制的谷神星一號遙一運載火箭成功發射，將11顆衛星送入500 km軌道上，中國民營商業運載火箭突破了500 km太陽同步軌道發射能力。

谷神星一號是一款四級運載火箭，一、二、三級采用光年系列固體發動機，一級為單臺GS-1發動機，推力為60 t，二級為單臺GS-2發動機，推力為30 t，三級為單臺GS-3發動機，推力為15 t，四級采用液體火箭發動機，實質為軌姿控一體化的動力裝置，總長為19 m，起飛質量為30 t，500 km太陽同步軌道運載能力為300 kg。后續遙二、遙三、遙四均發射成功，成功率保持100%。

智神星一號是星河動力正在研制的一款可重復使用的液體運載火箭，采用兩級串聯加先進上面級的構型，總長為49 m，起飛質量251 t，700 km太陽同步軌道運載能力3 000 kg，一級采用7臺蒼穹發動機并聯，二級采用單臺蒼穹發動機。蒼穹發動機使用液氧/煤油推進劑，采用燃氣發生器開式循環，海平面推力50 t，海平面比沖265 s，推力可調節范圍25%～100%，一級火箭可重復使用50次。蒼穹發動機已完成全系統地面熱試車，進入工程研制階段，但尚未進行垂直起降飛行試驗，尚未實現首飛。

2.1.4" " 深藍航天

2022年5月，深藍航天有限公司研發的星云-M試驗箭成功進行了1公里級垂直起降飛行試驗，這是我國第一次實現公里級火箭回收試驗。

星云-1是深藍航天正在研發的液體運載火箭，采用兩級串聯構型，總長約27 m，起飛質量約70 t，起飛推力130 t，500 km太陽同步軌道運載能力為1 000 kg，一級采用9臺雷霆-R1發動機并聯，二級采用單臺雷霆-R1發動機。雷霆-R1發動機使用液氧/煤油推進劑，采用開式循環，海平面推力6～21.5 t，真空推力7.5～26.5 t，推力可調節范圍30%～110%，點火起動次數不少于3次，一級火箭可重復使用。雷霆-R1發動機已完成全系統地面熱試車和二次起動試車，已驗證十米級、百米級、公里級的垂直起降技術，但尚未實現首飛。

星云-1H是深藍航天后續規劃的運載火箭，近地軌道運載能力20 t（不回收）或14 t（一級回收），主發動機使用雷霆-R2液氧/煤油發動機，海平面推力達50 t級，雷霆-R2尚未公開報道研制進展。

2.1.5" " 航天科工火箭

2017年1月，快舟一號甲遙一運載火箭成功發射，將3顆衛星送入預定軌道，該次發射是我國首次商業運載火箭發射，快舟一號甲由中國航天科工集團有限公司所屬的航天科工火箭技術有限公司研制。

快舟一號甲采用三級串聯的構型，自2017年啟動研制，一、二、三級均采用固體發動機，總長為20 m，起飛質量為30 t，采用車載機動發射方式，700 km太陽同步軌道運載能力為200 kg?？熘垡惶柤滓堰M行了18次發射，成功16次，失敗2次，成功率88.9%。

快舟十一號是航天科工火箭公司研制的另一款運載火箭，自2014年開始科研攻關，采用三級固體火箭發動機串聯構型，總長為31 m，起飛質量78 t，采用車載機動發射方式，700 km太陽同步軌道運載能力不小于1 000 kg，首飛遙一發射失敗，遙二發射成功。

鳴鳳一號發動機規劃用于航天科工火箭公司的液體運載火箭，該發動機使用液氧/甲烷推進劑，具備可重復使用能力，已完成400 s長程熱試車考核，驗證了發動機的設計方案合理可行。

2.1.6" " 中國長征火箭

2019年8月，捷龍一號遙一運載火箭成功發射，將3顆衛星送入500 km軌道上，捷龍一號由中國航天科技集團有限公司所屬的中國長征火箭有限公司研制，是中國航天科技集團有限公司首型商業運載火箭。

捷龍一號采用四級串聯的構型，自2018年2月正式啟動研制，一、二、三、四級均采用固體發動機，總長為19.5 m，起飛質量為23.1 t，500 km太陽同步軌道運載能力為200 kg。目前僅進行了首飛。

捷龍三號是中國長征火箭公司研制的另一款運載火箭，2021年3月正式啟動研制，仍采用四級固體火箭發動機串聯的構型，總長為31 m，起飛質量140 t，發動機直徑2.65 m，裝藥量71 t，推力達到200 t，500 km太陽同步軌道運載能力為1 500 kg，2022年12月進行首飛，發射成功。

騰龍系列火箭是中國長征火箭公司規劃的可重復使用液體運載火箭，目前尚未公開報道研制進展。2.2" " 國外主發動機技術路線選擇

2.2.1" " SpaceX公司

2008年9月，SpaceX公司研制的獵鷹1運載火箭經歷三次失利后，第四次成功發射，成為全球第一款實現入軌的私人商業運載火箭，獵鷹1是一款兩級構型的液體火箭，一、二級均使用梅林1C液氧/煤油發動機，不具有可重復使用能力。后續該火箭完成第五次發射后，未再進行發射。

2010年6月，獵鷹9運載火箭（V1.0版）首次發射，取得成功。2015年12月，獵鷹9運載火箭（V1.2版）B1019成功發射，完成任務后，一級實現了垂直起降回收，成為全球第一款實現回收的軌道運載火箭。2017年3月，獵鷹9運載火箭成功發射，實現一級重復使用。獵鷹9經過三次大的改進（V1.0版、V1.1版、V1.2版、Block 5版），目前獵鷹9（Block 5版）是一款兩級構型的運載火箭，總長70 m，起飛質量550 t，地球同步轉移軌道8.3 t/6.0 t（回收），一、二級均使用梅林1D液氧/煤油發動機，如圖4所示，一級使用9臺梅林1D發動機，采用OctaWeb結構布局，二級使用1臺梅林1D真空型發動機。梅林1D是在梅林1C基礎上研發的，采用燃氣發生器開式循環，最新衍生版梅林1D發動機海平面推力85.4 t，真空推力98.1 t，真空比沖311 s，推力可調節范圍50%～110%，具備100次以上可重復使用能力。目前獵鷹9火箭已發射190余次，失敗2次，一級最多重復使用了15次。

獵鷹重型火箭的一級、二級與獵鷹9火箭的一級、二級基本相同，一級采用3個獵鷹9火箭的一級并聯構型，1個作為主發動機，另外2個作為助推發動機，二級采用1臺梅林1D真空型發動機。梅林1D發動機用在多款運載火箭上，實現了“通用化、組合化、系列化”的目標。獵鷹重型火箭已發射4次，均取得成功。

2.2.2" " 藍色起源

2015年11月，藍色起源公司研制的新謝潑德火箭2號飛抵100.5 km高度，并實現了垂直著陸回收，成為全球首枚飛過卡門線高度實現回收的火箭，2016年1月，新謝潑德火箭2號再次成功發射，實現整體重復使用。

新謝潑德火箭與其他運載火箭不同，該火箭主要用于載人太空旅行，飛行高度100 km左右，該款火箭為單級液體火箭，具備可重復使用能力，總長為18 m，使用單臺BE-3液氧/液氫發動機，BE-3采用抽氣開式循環，推力50 t，推力可調節范圍18%～100%，具有多次點火起動能力。新謝潑德火箭已完成23次發射，成功21次，失敗2次，其中6次載人太空旅行均取得成功。

新格倫火箭是藍色起源公司正在研制的運載火箭，該款火箭采用兩級構型，總長82 m，同步轉移軌道運載能力約為13 t，一級使用7臺BE-4液氧/甲烷發動機，二級使用1臺BE-4液氧/甲烷發動機，可以根據需要增加三級部分，三級使用BE-3U氫氧發動機。BE-4發動機采用富氧分級燃燒循環，海平面推力240 t，推力調節范圍65%～100%，具有100次以上重復使用能力，已完成地面測試，交付火箭裝配，但尚未進行首飛驗證。

3" " 主發動機發展展望

商業運載火箭主發動機在固、液兩種技術路線中進行選擇，無論哪種技術路線，只要能可靠地將載荷送至預定軌道，盡可能降低研制成本，并實現預期盈利，該技術路線就會被采用?？偨Y國內外商業運載火箭發展現狀，展望未來發展，可以看到商業運載火箭主發動機的發展趨勢。

3.1" " 先易后難，固體起步

2023年1月，美國ABL公司研制的商業液體運載火箭RS1首飛失敗，再次印證了人類商業航天的“魔咒”，全球商業液體運載火箭首飛均以失敗告終。由于固體運載火箭具有結構簡單、可靠性高、使用維護簡單等特點，我國各類公司研制的首款商業固體運載火箭已實施7次首飛，5次成功入軌，首飛成功率遠遠高于液體運載火箭。在固體運載火箭取得首飛成功的同時，因液體運載火箭具有運載能力大、比沖高等特點，各公司正積極研制液體運載火箭作為下一代產品，來支撐后續發展。

3.2" " 穩妥可靠，小步快跑

運載火箭主發動機技術涉及多個學科，原理深奧，技術復雜，應盡量在現有成熟技術基礎上，吃透技術，做好產品，再進行創新優化。SpaceX公司研制梅林系列發動機之初，并沒有追求技術方面的先進，但經過持續迭代，從梅林1A到梅林1D，推力提升了2.5倍，每次發射后SpaceX公司并不滿足于發射成功，而是深挖問題，持續優化，快速迭代，使得推力、比沖、可靠性等參數幾乎達到了極致。

3.3" " 重復使用，引領半步

重復使用運載火箭是對現有一次性運載火箭的顛覆，毫無疑問，技術難度也遠遠大于現有一次性運載火箭，目前只有液體發動機才能實現重復使用。獵鷹系列火箭實現了一級重復使用，直接將單位重量的發射價格降低一個量級；新謝潑德火箭實現了整體重復使用，但其飛行高度僅有100 km左右，重復使用在技術上已經可以實現，但并不成熟，各商業火箭公司應在重復使用上下功夫，實現技術突破，引領發展。

4" " 結束語

運載火箭由國家完全壟斷發射變成社會各類企業競爭發射，國內外各類企業已經多次成功發射商業運載火箭，發展勢頭良好，在商業運載火箭發展過程中，優先采用固體火箭主發動機作為起步，其首發成功率高于液體火箭主發動機，但受固體火箭主發動機運載能力較小、不能重復使用的限制，研究開發大推力、可重復使用的液體火箭主發動機，是商業運載火箭發展的方向，是支撐未來發展的基礎，各類公司應在可重復使用的液體火箭發動機上下功夫，實現技術突破，引領未來發展。

[參考文獻]

[1] 國務院關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見：國發〔2014〕60號[EB/OL].（2014-11-26）[2023-03-26].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2014-11/26/content_9260.htm.

[2] 曹泰岳.火箭發動機動力學[M].長沙：國防科技大學出版社，2004.

[3] 李斌.液體火箭主發動機技術現狀與發展建議[J].前瞻科技，2022，1（1）：75-85.

[4] 丁新玲.液體火箭發動機制造技術發展現狀[J].航天制造技術，2005（6）：13-17.

收稿日期：2023-03-30

作者簡介：朱仰招（1990—），男，山東人，工程師，研究方向：液體火箭發動機研制。