液氧甲烷重復使用運載器關鍵技術發展研究

鄭平軍，趙 勝，王 飛，蔡巧言

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

液氧甲烷發動機具有無毒環保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重復使用等特點。近年來，為滿足更加快速、高效、低成本進出空間的需求，液氧甲烷發動機受到國內外研究機構的高度關注，且發展進程正在加速。美國商業太空公司藍色起源公司研制的BE-4液氧甲烷發動機推力達到240噸級，已完成全推力測試，發動機研制工作接近尾聲，后續將用于研制火神運載火箭；SpaceX公司的Raptor猛禽液氧甲烷發動機推力為200 噸級［1］，已完成全系統試車。藍箭航天的天鵲80噸級液氧甲烷發動機已完成3次搖擺試車點火試驗，后續將用于研制朱雀二號運載火箭；星際榮耀空間科技有限公司研制的焦點一號15噸級液氧甲烷發動機已相繼完成多次全系統長程試車及二次起動試車，累計試車時長約2 000 s，后續將用于研制可重復使用運載火箭雙曲線二號。液氧甲烷發動機以其重復使用性能好、使用維護便捷的特點，在不遠的將來必將作為重復使用運載器的重要動力裝置之一登上航天運載的展示舞臺［2］。

本文對基于液氧甲烷發動機的重復使用運載器進行分析，包括運載器的技術特點、面臨的技術挑戰，并基于此提出后續重點研究內容。

1 液氧甲烷重復使用運載器技術特點及優勢

重復使用運載器以“廉價、快速、機動、可靠”為目標，正成為未來航天運輸系統發展的主要方向。以美國為代表的航天強國在重復使用運載器研制方面投入了大量經費，開展了眾多研究，已基本實現重復使用的工程化應用，典型代表如航天飛機和SpaceX公司的獵鷹9運載火箭。

航天飛機采用垂直起飛水平著陸模式，是一種升力式火箭動力重復使用運載器，該類型運載器典型特點為采用面對稱翼身組合體升力式構型，使用火箭發動機，兼具航空器和航天器的特點，能夠垂直起飛、水平著陸，具有大空域（0～200 km）、寬速域（馬赫數0～28）飛行能力，主要涉及氣動力熱、飛行控制、重復使用結構、重復使用評估、重復使用動力等技術難題。獵鷹9運載火箭采用垂直起飛垂直著陸模式，是一種軸對稱式火箭動力重復使用運載器。該類型運載器典型特點為軸對稱構型，使用火箭發動機，通過降落傘、垂直返回等方式回收，主要涉及大范圍推力調節、二次起動等動力難題及重復使用評估等難題。兩種典型模式如圖1所示。

圖1 重復使用運載器兩種典型模式Fig.1 Two typical modes of reusable carriers

基于液氧甲烷發動機的重復使用運載器可采用垂直起飛水平著陸模式，也可采用垂直起降模式，兩種模式對于發動機的要求不盡相同。垂直起飛水平著陸模式的重復使用運載器一般為兩級入軌重復使用運載器，其中重復使用一級和重復使用二級均采用翼身組合體升力式構型和液氧甲烷發動機。其返回過程中為無動力著陸，采用了大量的氣動舵面，從而減少對于發動機的需求，僅在上升段使用發動機。垂直起降模式的重復使用運載器一般也是兩級入軌重復使用運載器，其中重復使用一級和重復使用二級均采用軸對稱構型和液氧甲烷發動機。兩者對于液氧甲烷發動機的要求在于可大范圍變推、可二次起動。相比較來看，垂直起降模式的重復使用運載器對于液氧甲烷發動機的要求更高［3］。

以升力式兩級入軌重復使用運載器為研究對象，在起飛規模相當、重復使用二子級相同的情況下，將基于液氧甲烷發動機的升力式兩級入軌重復使用運載器與基于液氧煤油發動機的升力式兩級入軌重復使用運載器進行運載能力分析，結果表明：兩者運載能力基本相當，原因在于雖然液氧甲烷發動機的理論比沖較液氧煤油發動機高約100 m/s［4］，但由于其密度比煤油低，相同耗量的推進劑需更大的貯箱，造成運載器結構質量增加，抵消了比沖的增量。

隨著耐高溫輕質材料和結構技術的發展，且液氧甲烷發動機由于在重復使用和使用維護方面具有優良的綜合性能，成本更低，已成為重復使用運載器的理想動力型式，各國均在發展基于液氧甲烷發動機的重復使用運載器。

2 面臨的技術挑戰

重復使用的優點和終極目標是減少運載器箭體、發動機、電氣設備一次性使用所造成的浪費，通過多次使用分攤費用來降低運載器的生產與發射成本。以升力式液氧甲烷重復使用運載器為例，其最大的難題在于重復使用動力系統、耐高溫輕質結構、健康檢測及故障診斷、熱防護系統等如何實現多次使用評估、高可靠、易維護及低成本。

a）重復使用動力系統方面：需滿足長壽命、大范圍推力調節、二次啟動、快速檢測維護、低成本等要求，而現有的火箭發動機設計及試驗體系均為一次性設計準則，在此基礎上進行液氧煤油發動機或氫氧發動機的改進設計存在較大的局限性，維護處理流程復雜，需重新開展液氧甲烷發動機設計。設計之初即考慮重復使用和使用維護需求，滿足長壽命、大范圍推力調節、二次起動、快速檢測維護、低成本等要求。

b）耐高溫輕質結構方面：升力式液氧甲烷重復使用運載器結構系數高達30%，降低結構干重是該運載器設計的關鍵難點。解決措施主要有三個方面，分別是：1）主承力結構大量采用復合材料，如T-800；2）為降低結構重量，液氧貯箱和甲烷貯箱設計為共底貯箱，液氧甲烷屬于低溫推進劑，常壓下液氧溫度為92 K，甲烷溫度為110 K，兩者的溫度接近；3）結構貯箱一體化設計，既能夠適應上升段的軸向載荷，也要能適應返回段的法向載荷。

c）健康檢測及故障診斷方面：重復使用運載器故障預測與健康管理（Prognostics and Health Managemeng，PHM）系統設計是實現運載器全壽命周期健康狀態管理的一種革新方案，是故障檢測、故障隔離、故障預測、健康評估及地面維修的綜合技術，考慮到當前PHM 技術發展水平，難以單純依靠機載設備實現大量狀態數據的自動獲取和故障模式的準確診斷，解決途徑是采用“機載—地面”聯合工作和協同管理的工作模式，地面部分PHM 有效輔助機載部分PHM，實現全面、準確和即時的健康管理活動。

d）熱防護系統方面：熱防護系統設計是重復使用運載器設計的核心問題和目前的主要技術難題。從軌道及亞軌道無動力返回地面的航天運載器具有巨大的動能和勢能，滑翔飛行過程的飛行速度達5 km/s量級，處于極其惡劣的飛行環境，總加熱量相當巨大。解決途徑主要有兩個，即通過飛行器的氣動設計減少氣動加熱，以及通過防熱結構設計吸收并消耗加熱量。與熱防護密切相關的重復使用技術挑戰還包括在滿足質量、容積及尺寸等總體約束條件下，進行氣動布局設計。首先，隨著彈道系數的增加，飛行器最大熱流和總加熱量均隨之增加，而最大過載、再入航程、再入飛行時間變化不大。隨升阻比增加，最大熱流和最大過載減小，而總加熱量、再入航程及再入飛行時間增加。因此運載器設計時需增大升阻比，并同時增大阻力，這顯然是矛盾的。其次，為提高升阻比，高超再入飛行器的氣動布局變得更加扁平，不僅使容積利用率降低，而且還進一步引起俯仰方向和橫側方向的穩定和操作差異，特別是運載器返回途中大部分時間以大攻角飛行，為獲得足夠的橫向穩定配平能力和機動飛行距離，需要對控制方案，尤其是橫側向控制方案進行更加精細的設計，質心運動與反作用控制系統（Reaction Control Systems，RCS）及氣動舵面的復合控制方案有益于解決這一問題。再次，質量約束對于運載器而言比容積等約束更重要，質量減小可減小彈道系數，提高減速能力并降低熱流，為進一步減少熱防護負擔和質量打下有益基礎［2］。

3 后續重點研究內容

重復使用運載器集航天器和航空器的特點于一身，與一次性運載火箭相比，面臨著諸多重大關鍵技術難題，能否攻克這些技術難題關系到研制工作的成敗。基于液氧甲烷的重復使用運載器在重復使用總體設計與評估技術，上升在軌再入返回著陸一體化制導、導航與控制技術，大尺寸輕質結構與制造技術、重復使用液氧甲烷發動機技術，健康管理預測與重復使用運行維護技術，重復使用熱防護技術等方面還需進一步開展工作。

3.1 重復使用總體設計與評估技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器總體方案和關鍵技術具有前瞻性，其系統集成性強，諸多關鍵技術尚需驗證。長期以來，各航天大國積極開展重復使用運載器相關技術和項目的研究，積累了一定的技術基礎，但距體系化、成熟化、實用化的工程應用仍有較大差距，后續還需在重復使用設計準則、先進的總體設計、健康管理技術等方面深入研究。

升力式液氧甲烷重復使用運載器50 次重復使用的要求，對結構、熱防護、動力等系統提出了多次重復使用及每次飛行前評估的需求，一架樣機一次飛行后，對樣機是否具備再次飛行能力的評估，目前仍缺乏手段與方法，需釆用健康管理技術對機體結構、熱防護、動力等系統進行在線長時間工作健康狀態的預測和管理，評估各系統的疲勞及沖擊損傷，解決機體冷熱結構的長期安全重復使用問題；須通過機內自測試（Built Ⅰn Test，BⅠT）、跨系統綜合推理，實現精確的在線故障檢測與隔離，在飛行器功能降級情況下進行狀態管理，保證任務成功須通過關鍵部件故障預測和全機壽命管理實現視情維護，保證重復使用飛行安全、成功［4-5］。

3.2 上升再入返回著陸一體化制導、導航與控制技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器總體設計過程中，需要對制導、導航和控制系統進行一體化設計，充分考慮上升段的特殊性和制導控制精度的可行性，結合再入的特殊需求和指標約束，綜合考慮著陸指標和落區散布要求，充分細化各個飛行階段的設計潛能，得到合理的離軌條件、再入和著陸飛行性能。通過高動態高精度組合導航、導航設計精度指標分配、飛行軌跡規劃與航程能力預測、快速落區預測與在線制導、可重構控制等技術的攻關，奠定全程一體化的制導、導航和控制系統設計方法和應用基礎，并通過地面半實物仿真試驗和六自由度試驗進行充分驗證，從而加速推動相關技術的工程應用。其主要技術難點在于面對稱體垂直發射飛行控制技術、大攻角再入RCS氣動舵面復合控制技術、快速自動重構的多余度飛行控制技術等。

3.3 大尺寸輕質結構與制造技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器箭體結構尺寸大、構型復雜，同時為了追求低結構系數，需要采用大尺寸復合材料承力結構。重復使用運載器對復合材料使用率、尺寸精度及加工損傷控制提出了新要求，在大尺寸復合材料性能的穩定性、變形控制、裝配精度等方面亟須開展系統研究。

為滿足飛行器對結構系統輕質化的要求，進行輕質化復合材料主承力結構設計關鍵技術攻關，重點開展復合材料性能研究、大型復雜曲面復合材料結構CAD/CAE/CAM設計制造一體化技術研究、變剛度復合材料層合板的設計制造、大型復合材料和金屬構件高精度總裝總測及評價等，突破大尺寸輕質結構在設計、工藝、制造、裝配、測量等方面的技術。其主要技術難點在于防熱/承力一體化輕質結構實現、重復使用結構與防熱系統匹配技術、高效高精度舵面機構設計技術、復雜布局與極小空間下的系統裝配技術、低溫貯箱傳力/防熱一體化設計技術。

3.4 重復使用液氧甲烷發動機技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器采用液氧甲烷火箭發動機，為實現重復使用，發動機系統的重復使用是關鍵。火箭發動機研制難度大、技術風險高、集成度高、結構復雜，研制成本在整個飛行器中占有較大比例。基于發動機重復使用技術，一次任務完成后通過維修或更換部分零部件，即可滿足下次飛行任務的可靠性要求，是有效降低發射任務成本的最佳途徑。

重復使用液氧甲烷火箭發動機的研制重點在于提高發動機的性能、降低研制成本，在發動機可靠性、長壽命、多工況、多次使用維護、故障診斷等方面開展重點研究。相關技術攻關主要包括：發動機二次起動、發動機大范圍推力調節、二次起動間隔期發動機處理、發動機總體優化及輕質化、發動機重復使用維護、狀態監測。其主要技術難點在于高可靠長壽命高效渦輪泵技術，高可靠長壽命熱力組件技術，發動機二次起動技術，發動機重復使用能力驗證技術，發動機狀態檢測、評估及使用維護技術［6］。

3.5 健康管理預測與重復使用運行維護技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器對運行維護和操作提出了很高要求，需要把安全性、可靠性、費用效益與故障管理、維修保障支持等結合在一起，針對飛行器重要部件、各分系統進行全面的維護和狀態監測，如圖2所示。面向工作流程，運行維護和操作系統的主要功能分為著陸后評估與維修、修理后再評估與返修兩個階段。著陸后評估與維修用于飛行器著陸后對產品進行健康評估，并按照健康評估的結論與產品的修理級別，提出產品更換或修理建議。維修后再評估與返修用于產品維修后對維修后產品的健康狀態進行再評估，判斷其是否滿足再次飛行的要求，如不滿足則提出產品返修建議。

圖2 重復使用運載器維護維修Fig.2 Reusable carrier maintenance and repair

針對重復使用運載器的飛行環境和任務需求，綜合考慮運載器健康管理系統的需求，分析常用故障診斷和健康管理技術，建立總體、動力、航電、結構的故障模型，完成地面故障仿真注入，重點開展飛行器測試發射階段的故障診斷、飛行過程中的健康監測、返回后的評估與維修三大部分技術攻關，由此為天地往返飛行器重復使用提供關鍵保障。其主要技術難點在于故障診斷和健康管理技術、壽命周期自主保障技術、重復使用天地往返飛行器壽命評估技術。

3.6 重復使用熱防護技術

升力式液氧甲烷重復使用運載器飛行馬赫數高，惡劣的氣動加熱使飛行器表面溫度急劇增高，為保證原始氣動外形和再入返回階段精確控制，熱防護系統必須實現高溫不燒蝕，同時，為有效隔絕熱量，使內部分系統處于正常工作環境中，熱防護系統必須實現高效隔熱。因此，升力式液氧甲烷重復使用運載器對熱防護材料性能提出了長時間、超高溫、非燒蝕、輕質、高效隔熱、多功能一體化、可重復使用等前所未有的嚴苛要求。

基于機身大面積迎風面、機頭錐、翼前緣等部位熱結構方案，以熱防護與熱結構設計所獲得熱結構部件強度、剛度、溫度、質量、加工精度等條件作為制備技術指標要求，圍繞可重復使用防隔熱材料設計方案與成型工藝方法，建立合理的復合工藝流程，制備出質量均勻能夠滿足高溫長時非燒蝕防熱材料、高效隔熱材料、動靜熱密封材料與防熱/承載一體化熱結構復合材料，進行常溫/高溫力學、熱物理性能綜合評價與分析，建立部件工藝結構—性能的相關性，并開展大面積抗氧化涂層的制備與優化、精密加工研究。系統開展數量眾多、要求各異的全機熱防護系統裝配工藝技術研究，確定熱防護與熱結構裝配工藝流程與參數，確保裝配精度、裝配公差滿足總體設計要求。其主要技術難點在于重復使用防隔熱材料制備，高溫動/靜密封與連接結構實現，重復使用防熱系統裝配、檢測與快速修補技術。

4 結束語

基于液氧甲烷發動機的重復使用運載器代表了重復使用運載器的發展方向，更易實現低成本。以面對稱翼身組合體升力式構型為代表的垂直起飛水平降落構型方案以其大空域、寬速域飛行能力技術優勢，成為該領域研究的重要方向。其總體設計中面臨的最大難題在于重復使用動力系統、耐高溫輕質結構、健康監測及故障診斷、熱防護系統等，國內外圍繞這些難題已開展多年關鍵技術攻關，取得大量研究成果。為實現重復使用運載器“廉價、快速、機動、可靠”的目標，后續可持續開展液氧甲烷發動機的重復使用運載器總體關鍵技術攻關，加快關鍵技術飛行驗證，為早日具備工程研制條件奠定基礎。