摘要為降低一次性運載火箭發射成本，宇航界一直在致力於研製像飛機一樣可以多次自由進出太空的重複使用運載器。佔全箭成本三分之一的發動機，是重複使用運載器研究的重要部分。在已獲得的研究成果基礎上，分析國內外重複使用技術發展特點，指出液體火箭發動機是近期實現運載器重複使用的現實動力方案，並據此初步確立發動機重複使用技術指標體系和推進劑組合，提出發動機重複使用關鍵技術。
00引言
20世紀60年代開始，美國和俄羅斯開展登月競賽，兩大航天強國均制定了研製可重複使用運載器太空梭的戰略。1981年重複使用的太空梭登上太空舞臺。但太空梭並沒有達到預期目的，發射成本居高不下，於2011年終止飛行，退出歷史舞臺。但低成本商業化需求必將促使一次性火箭向重複使用方向發展。近期美國的SpaceX公司“獵鷹運載火箭一子級進行多次受控精確著陸和回收嘗試並取得了成功，X—37B太空飛機回收後再次執行飛行任務。2014年5月，英國廣播公司披露“雲霄塔”計劃，其主發動機“佩刀”研製取得重大進展，國家將其納入空間技術規劃。這些工作的進展，尤其是其所帶來的低成本的願景使得航天界再次掀起了重複使用運載器的研究浪潮。這些運載器所使用的動力可分為火箭發動機推進和組合動力推進。由於火箭發動機推進擁有較豐富的經驗，因此當前兩級入軌、部分重複使用、火箭推進方案受到普遍關注。國內的重複使用技術尤其是發動機重複使用技術也在研究中。本文旨在依據運載器對重複使用火箭發動機的要求及發動機自身特點，確定初步技術指標體系，提出需攻克的關鍵技術，使研製更具有針對性，加快研製步伐。
01國內外重複使用技術研究現狀
重複使用運載器是可以多次往返於地球與空間軌道，在軌駐留執行軌道服務，可按需返回地面的航天飛行器。按外形佈局，可分為帶翼外形和火箭外形;按動力方式，可分為火箭發動機推進和組合動力推進;按起降方式，可分為垂直起降，如SpaceX公司的“獵鷹9”運載火箭、藍源公司“新謝帕德號”運載火箭;垂直起飛/水平降落，如軌道級重複使用的美國/俄羅斯太空梭、X—37B和亞軌道飛行器;水平起降，如單級入軌(SSTO)、可完全重複使用的X—30/X—33/HOTOL和兩級入軌飛行器(TSTO)。
動力技術作為可重複使用運載器的核心技術之一，各國的技術方案也不盡相同。
美國是重複使用研究歷史最悠久、形式最多的國家，除著名的太空梭外，在20世紀90年代後還開展了X—37B、DC—X/XA單級入軌等重複使用飛行器的研究工作。
太空梭主發動機SSME採用了氫氧推進劑的分級燃燒迴圈，5架太空梭執行了135次飛行任務。太空梭最初的設計目標是重複使用100次，但實際執行下來，最多的1臺重複使用了39次。“獵鷹運載火箭一子級可重複使用，主動力為液氧/煤油發動機“隼1D”，可2次重啟減速。“獵鷹”9運載火箭設計之初就考慮了通用性，全箭用一種型號發動機，2017年發射回收成功，並於同年再次使用，發射間隔平均為3個多月。美國空軍研製的X—37B軌道試驗飛行器為可重複使用技術的驗證機，使用一次性火箭宇宙神5發射入軌，已完成了可重複使用飛行試驗，主動力是過氧化氫/煤油發動機。
在單級入軌方面，美國麥道公司提出了由火箭發動機提供動力、單級入軌、垂直起降、完全重複使用的“德爾塔快帆”(delta clipper)方案。DC—X/XA是2架技術驗證機，使用4臺ＲL10A—5氫氧膨脹迴圈火箭發動機，透過各個發動機推力的調節實現飛行器的姿態控制、平飛和掉頭。在降落的時候，透過調節發動機的推力，實現懸停、下降和垂直降落。在1993—1996年的3年時間裡，進行了12次飛行試驗，獲得了大量的試驗資料，驗證了相關的關鍵技術。其驗證機所用的膨脹迴圈ＲL10發動機在重複使用研究過程中，被證明可以起動75次而不需要分解檢查或更換部件。
聯合發射聯盟公司透過“明智模組式自主返回技術”來實現“火神”火箭第一級發動機的重複使用，選用藍源公司的BE—4液氧/甲烷發動機。該發動機採用分級燃燒迴圈，推力達240 t，實現100次以上覆用。
英國提出的重複使用雲霄塔運載器，採用帶預冷器的組合動力方案。其佩刀發動機採用雙模式工作，一種是吸氣模式，一種是火箭發動機模式，利用大氣環境中的空氣作為推進劑，減少自身攜帶的推進劑，提高有效運載能力。
俄羅斯正在研製以200 t液氧/甲烷發動機ＲD—0162為芯級及助推的聯盟5火箭(見表1)，計劃用於現有聯盟2、天頂號、質子號火箭，並將作為亞軌道太空飛機MＲKS可重複使用火箭助推器。動力機械生產科研聯合體在2013—2014年同樣進行了ＲD—0192液氧甲烷發動機的研製。
表1俄羅斯甲烷發動機引數(ＲD—0162系列)
日本JAXA已經研製出可重複使用LOX/LH2火箭發動機，將作為可重複使用探空火箭的主發動機。ＲSＲ的飛行時序如圖1所示。在2014年6月到2015年2月期間進行了54次發動機點火試驗，累計142次點火。
圖1 日本RSR的正常飛行時序
針對天地往返運輸，我國專家在“十一五”期間對重複使用運載器開展論證，提出到2030年從部分重複使用到完全重複使用、從火箭動力到組合動力的“三步走”發展設想，如圖2所示。
圖2 中國重複使用規劃
我國在氫氧發動機研製基礎上開展了液氧甲烷發動機重複使用技術研究，獲得了一定的成果，部分元件可重複使用30次以上。
綜上，可以獲知重複使用運載器技術發展趨勢:
1)火箭動力是現實選擇，吸氣式組合動力是未來方向。
2)火箭動力在國外皆是液體環保動力，主要是液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷這3類綠色環保型組合推進劑。
3)垂直起降、垂直起飛/水平返回是當前兩大主要研究方向;單級入軌、水平起降是遠期的終極目標。
4)降低全壽命週期費用，並進一步提高可靠性和任務適應性。
按照最優進入空間方式，發展組合動力是最佳選擇。但組合動力技術還不成熟，距離實際應用還有關鍵技術需要時間攻克。液體火箭發動機技術相對成熟，已成功應用於一次性運載火箭和部分重複使用的太空梭上。採用低溫液體火箭動力構建重複使用天地往返運輸系統，是近期較為現實的發展目標。
02國內低溫液體火箭發動機重複使用技術研究
新一代無毒無汙無腐蝕推進劑組合是液體火箭重複使用發動機的保障。尤其是液氧/液氫、液氧/甲烷、液氧/煤油3種推進劑組合能夠滿足重複使用發動機基本需求，而且在國外重複使用發動機研究中皆取得了一定的成果。使用液氧/煤油推進劑的SpaceX梅林發動機已經獲得了多次飛行回收成功。重複使用發動機鼻祖SSME發動機就採用了液氧/液氫推進劑，使用液氧/液氫推進劑的BE－3和ＲL10發動機也獲得了成功回收。液氧/甲烷推進劑的發動機因其成本低、效能適中、結焦少、與液氧沸點接近，利於深空探測飛行，頗受國內外航天同行青睞，均傾力研製。我國的液氧/液氫、液氧/煤油發動機均在CZ—3A系列火箭和新一代火箭發射中成功參加了飛行，液氧/甲烷發動機尚在研製過程中，也已經完成了全系統試車。
我國重複使用液體火箭發動機的研製，可劃分為3個階段:
①以目前的液體火箭發動機為平臺，開展發動機一機多試和校準試車不分解交付飛行;
②以氫氧發動機為平臺，研究低成本液氧甲烷發動機重複使用技術;
➤2.1一機多試和校準試車不分解交付技術
20世紀初，在高密度發射需求牽引下，為降低成本、縮短週期、保留校準試車後的資訊，使氫氧發動機由單臺組裝轉向批次組裝，某型發動機採用了液體火箭發動機校準試車不分解方案。圖3為發動機分解交付和不分解交付流程圖。
（a）分解交付流程
（b）不分解交付流程
圖3 發動機校準試車後交付流程圖
為評估發動機校準試車後健康狀態，保證交付後產品質量可靠，從發動機效能和振動雙角度進行評價。建立了故障模式庫，其中裝入28種故障模式(見圖4)。透過與故障模式進行比對，評價發動機各組合件及整體引數校準試車後健康狀態，用於決策發動機再次進行點火工作的可靠性，以及能否交付飛行。
圖4 某型發動機故障診斷軟體及流程
截至目前已有近50臺發動機採取了不分解交付措施後交付，飛行任務完成良好。
對於多次全程工作，液體火箭發動機也獲得了較豐富的經驗。為試驗不分解交付和可靠性驗證，採取了地面考核不下臺連續試車的方式，俗稱一機多試。氫氧發動機、液氧/煤油發動機均採取了同樣的方案，並在實踐過程中獲得了較豐富的試驗後健康狀態檢測、維修與再試驗的基礎措施、方法和再試驗使用評估標準。如地面試驗後、產品交付後、靶場飛行試驗前發動機檢測專案、內腔潔淨度判斷指標、故障判斷、部分元件更換維修等技術。其中某膨脹迴圈發動機試驗壽命目前達到5460s，重複起動16次無異常。
➤2.2液氧/甲烷發動機技術
液氧/甲烷發動機是我國乃至國際航天界正在大力發展的方向。甲烷是一種被廣泛利用的清潔能源，具有燃燒熱值高、資源豐富和環保等優點。與液氧組合作為火箭推進劑時，比衝效能介於液氧/液氫推進劑和液氧/煤油推進劑之間，且其具有較高的密度比衝，利於提高運載器運載能力。液氧甲烷發動機是所有烴類燃料組合中，最不容易結焦和積碳的，為未來能夠實現清潔環保、可重複使用的火箭發動機打下了堅實的基礎。從長遠角度出發，科學家們已經發現諸如火星、土衛六等星球上存在液體甲烷“海洋”，如果未來做星際航行，甚至可以從目標星球直接汲取液體甲烷做燃料。液氧和甲烷溫度相近，可以設計成共底貯箱，降低結構質量和複雜度。
目前國際上對於液氧/甲烷發動機還沒有研製成功飛行的先例，但研製歷程已達幾十年。其中俄羅斯以液氧/煤油發動機ＲD—0110MD和液氧/液氫發動機KVD—1作為演示樣機，開展了甲烷工作研究。液氧/煤油發動機有70%～80%的元件可以借用。NASA將ＲS—18改造為月球著陸器下降級液氧/甲烷發動機，開展了高空模擬試車和推進劑在月球表面的長期貯存模擬試驗研究。
十一五期間，以重複使用亞軌道飛行器為背景，以某氫氧發動機為平臺，開展了60 t級燃氣發生器迴圈液氧/甲烷發動機關鍵技術研究。該發動機為燃氣發生器迴圈，發動機地面推力60t，地面比衝285s。研究期間經過元件級試驗、分系統試驗以及1臺液氧/甲烷發動機原理型樣機，完成了4次累計67 s的全系統關鍵技術整合演示驗證試驗，實現了液氧/甲烷發動機關鍵技術的全面突破。探索出以氫氧發動機為平臺研究液氧甲烷技術的途徑。
此外還基於某膨脹迴圈發動機，開展了上面級甲烷發動機研製，分別進行了3 t和8 t的深度推力調節膨脹迴圈甲烷發動機研製。完成了以甲烷火炬電點火試驗200多次，與噴注器縮比試驗件聯試點火28次、10∶1深度節流噴注器縮比件試驗為代表的各類元件級試驗。
三型甲烷發動機均取得了重大進展，尤其是8 t液氧甲烷發動機(見圖5)和60 t級甲烷發動機(見圖6)研製過程中均採用了氫氧發動機直接換甲烷推進劑方案，證明了各種迴圈方式的氫氧發動機均可實現與甲烷發動機同料加工、同線生產、同臺試驗、產品通用，為重複使用運載器提供效能更優、功能更強的發動機奠定基礎。
圖5 8 t液氧/甲烷發動機系統原理圖
圖6 60 t液氧/甲烷發動機系統原理圖
➤2.3重複使用低溫液體火箭發動機技術
目前的重複使用除太空梭的SSME發動機在設計之初就按重複使用的理念進行設計外，其餘的均是一次性液體火箭發動機直接移植，在現有的設計基礎上增加使用次數。
從當前一次性使用發動機技術水平來看，將其簡單“移植”到重複使用飛行器上，其壽命上限最多達到50次。根據重複使用航天器經濟模型測算，復飛80次後才能收回成本，因此，提出100次重複使用指標。
以重複使用設計理念為指導開展低溫液體火箭發動機設計是減少彎路，實現重複使用的有效方法。針對低溫液體發動機壽命薄弱的元件渦輪泵、燃燒室等，從壽命、功能、檢測與診斷以及效能方面進行分析、設計。比如渦輪葉片疲勞壽命的提高要從渦輪葉片損傷模式與損傷機理上開展研究後納入設計規範中。燃燒裝置壽命提高要從熱防護上開展設計等。
圍繞重複使用運載器的動力需求，開展了60 t級液氧/甲烷發動機重複使用最佳化設計技術研究，從迴圈方式、檢測可達性、模組化設計、快速測發能力、維修性、考核方案等方面完善產品重複使用的設計理念，從設計根源上提高發動機重複使用能力。
經過研究和試驗，60 t液氧/甲烷發動機在重複使用上獲得瞭如下成果:
1)大熱流推力室身部熱防護技術通過了30次重複使用熱試驗。
2)渦輪泵軸承經過低溫臺架試驗，壽命可以達到80次以上。
3)渦輪泵動密封經過臺架試驗，壽命達到80次以上。
4)燃氣閥經過高溫試驗考核，動作達到1 000次。
5)透過整機試驗，驗證了液氧/甲烷發動機簡單、安全、快捷的地面檢測維護處理流程。
03液體火箭發動機重複使用指標體系
採用傳統一次性航天器的研發和經營模式，不可能降低宇航運輸成本。從60 t液氧/甲烷發動機研製，到SpaceX火箭回收和重複使用的實施路徑，可以看出，把技術成熟的一次性宇航產品作為“母機”，逐步實施可重複技術改造，才能降低研發成本，將一次性使用的發動機“蛻變”為重複使用發動機。
由此可見，借鑑航空發動機技術，識別和建立重複使用發動機專用技術體系是當務之急。液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷這三類組合作為推進劑的液體火箭發動機均具有可重複使用的基礎。但哪種發動機重複使用能實現較高的壽命、降低成本、獲得更大的利益則需要依據重複使用指標體系進一步分析。從目前研製進展上看，液氧/甲烷潛力最大，但卻要面臨發動機從無到有的研製歷程;液氧/液氫發動機由於效能高、可檢測維修、推進劑潔淨無結焦、返航後易處理、推重比高、燃燒穩定性好等易於實現重複使用，但推進劑、製造、貯存成本高;液氧煤油發動機成本低、推重比高，但由於煤油易結焦，返航後處理複雜。按目前研製的進展，不論哪種推進劑組合都需要開展技術攻關。
根據不同飛航模式和推進層級，在壽命型、功能型、效能型、維修型和檢測診斷型框架下，梳理辯識各項技術，構建重複使用發動機技術體系(見圖7)。
圖7重複使用發動機技術指標體系
重複使用發動機最重要的指標是壽命。壽命是指在給定的可靠性指標下，發動機以額定工況完成特定任務剖面時，提供安全、完備和準確功能的時間度量。
相對於以千秒為單位計壽命的一次性使用發動機，工作壽命要以小時為單位計將是發動機技術指標體系的跨越式提升。這將顛覆傳統設計理念、驗證考核、製造工藝。
➤3.1可靠性設計和驗證
一次性發動機只考慮各零部件或分系統相互獨立完成功能，以簡單的串聯方式建立可靠性模型。而重複使用發動機就應依據載荷－強度干涉理論按系統級或系統層的建模方法開展可靠性設計和驗證(見圖8和圖9)。
圖8一次性使用發動機可靠性模型
圖9重複使用發動機可靠性模型
在工程實踐中，葉片強度及壽命分析具有不確定性，隨機因素主要是:
1)載荷:氣動激勵載荷、溫度載荷及離心載荷;
2)材料引數:彈性模量、泊松比、導熱係數和熱膨脹係數等;
3)幾何尺寸:加工誤差、工作變形使敏感部位的幾何尺寸產生變化，而影響疲勞壽命。
➤3.2熱力環境設計
高熱流對結構沖刷產生高周疲勞和低周疲勞是熱力件失效的主要原因，因此，該指數是影響發動機壽命的關鍵技術指標。
SSME的主燃燒室、噴管可達到40次、預壓泵20餘次，而高壓渦輪泵僅6次，以葉片損傷為主。高周疲勞和低周疲勞共同造成了葉片疲勞裂紋和損傷，熱載荷對渦輪葉片大約貢獻20%的應力。
膨脹迴圈中渦輪工質為常溫氣氫或甲烷，渦輪工作環境明顯優於其他動力迴圈。
燃燒室的壽命與高溫蠕變、低周疲勞相關，而高溫蠕變與所處熱力環境相關，因此冷卻推進劑的選擇和冷卻設計是重要環節。液氫、甲烷、煤油作為冷卻劑，結合各自特性設計熱防護結構，重點控制燃燒室氣壁溫度，減少溫度應力。同時輔以氣膜冷卻是較好的方式。
➤3.3起動衝擊
起動次數與壽命指標具有強關聯性。為了計入這種衝擊載荷對壽命的影響，就應在壽命指標框架下建立載荷作用次數的可靠性分析、評估和設計模型。獲得疊加在靜載、動載上的衝擊次數，獲得在強度退化條件下，發動機可靠性或失效率的變化規律。
點火機械衝擊:強烈的點火衝擊對結構造成的損傷是引起發動機出現故障主要原因，如某試車的推力室頭部振動衝擊達49 000 m/s2，穩定段的振動僅784 m/s2(見圖10)。這是傳統液體火箭發動機點火方式的固有特性，採用調時序、頭腔吹除、最佳化點火混合比等常規技術，不能從根本上避免對結構的衝擊。
圖10 發動機點火壓力衝擊曲線
大熱流衝擊:T90為毫秒級或秒級的加速起動性要求使傳統冷卻技術(再生冷卻、幅射冷卻、液膜冷卻等)難以確保熱結構能經受上百次大流量、高熱流的衝擊。熱起動瞬態過程的極大熱應力使渦輪材料的低周疲勞壽命也大為降低，會導致渦輪產生裂紋。
自身箱壓起動:雖然箱壓起動技術涉及到一次任務剖面多次起動能力，與重複使用次數無直接關聯，但是實現漸進式起動可降低傳統外能源起動方式產生的衝擊載荷(見圖11)。
圖11發動機自身起動推力曲線
➤3.4自潔淨性
推進劑種類及其組合決定發動機的自潔淨性。新一代採用無毒無汙無腐蝕低溫推進劑是重複使用發動機基礎。燃燒產物結焦降低重複使用性。
自蒸發能力:發動機腔內推進劑能否在常溫常壓下蒸發如初，從根本上決定了發動機復飛前處理的快捷簡易性。具有雙組元低溫特性的液氧/液氫或液氧/甲烷組合的自蒸發能力要優於液氧煤油。
結焦性:氫氧發動機不存在結焦，因此，其重複使用性最佳。烷類燃料中的碳原子使液氧/甲烷和液氧/煤油發動機存在結焦問題。其燃燒產物凝結在噴嘴或面板上，對燃燒效能產生累積影響。作為冷卻劑，經高溫加熱，積碳沉積在夾套內壁使推力室身部傳熱能力下降，進而也影響燃燒效能。甲烷結焦溫度高，約1200K，適用於重複使用推力室。富燃方案燃氣發生器結焦少，但隨氧含量的增加，結焦亦增加。
從單臺60t液氧/甲烷發動機累計13次試車情況來看(見圖12)，甲烷的自潔淨性較好，經產品復溫吹除，少量結焦自行脫落。另外，各次試車夾套流阻和溫升穩定。
圖12 液氧/甲烷發動機第12次試後噴嘴出口結焦情況
➤3.5可檢測性及維修性
可檢測性是對發動機工作前狀態的檢查與測試。一次使用發動機的外場檢測目的是確認產品質量，而重複使用發動機的可檢測性是對發動機健康狀態實施評價，應包含直測式引數門檻、黑匣子飛行資料處理判據、關鍵件探傷孔設定及氣密性檢漏等技術，提高發動機復飛可檢測性。校準試車不分解交付的實施，提高了一次使用發動機的測試可達性，而重複使用發動機復飛前，不可能返廠進行熱點火測試，因此，需要重複使用飛行器的動力系統在發射臺上具備低工況點火熱測試。
維修性包含了發動機保養(含返廠大修)、維護可操作性及總體最佳化佈局、模組化裝配設計等技術。維修性好也會極大地降低發動機成本。
04低溫液體火箭重複使用發動機關鍵技術
結合重複使用飛行器對發動機的要求、重複使用發動機研製規劃和重複使用指標體系，低溫液體火箭發動機重複使用技術涉及如下關鍵技術。
➤4.1壽命型可靠性設計、驗證和評估模型
1)構建壽命型技術體系及量化指標;
2)形成元件級壽命型設計方法和驗證方法;
3)以元件級壽命指標為離散型輸入變數，形成發動機壽命機率分佈，包括元件強度分佈、載荷譜、強度退化曲線、可靠性與載荷作用變化關係。
➤4.2非衝擊起動技術
1)頭腔霧化積存機理及點火能量最佳化;
2)點火方式最佳化與改進;
3)低壓微量噴注及燃燒轉級;
4)箱壓載荷譜及箱壓起動。
➤4.3長壽命材料模擬最佳化
面對高低溫條件下，百量級迴圈載荷譜作用，突顯出傳統材料屬性的不確定性，主要有彈性模量、密度、泊松比、屈服強度等。
目前的認識是:材料的不均勻導致材料屬性的不確定性，使其彈性模量和泊松比對結構的強度應力分佈產生了影響，進而影響疲勞壽命。為此，需要以百量級迴圈載荷為輸入，開展對現有材料模擬研究，對材料冶煉成形和均化處理提出相關要求。
➤4.4電驅技術應用
1)流體整合IVF技術可利用低溫推進劑的蒸發特性增強箭上供電持續能力;
2)電機技術的發展，為發動機無級調節提供新的應用前景。
➤4.5狀態監控與故障診斷的工程應用
目前，狀態監控與故障診斷技術的工程應用水平，僅限於多引數聯判的地面試車緊急關機。該技術的成熟應用是研製重複使用發動機的先決條件。與其他運輸工具的發動機相比，液體火箭發動機的應用水平差距很大。無論是傳統的一次性使用，還是將來的重複使用發動機，該技術的應用研究應高度重視，加大投入。
1)研製線上記錄器(黑匣子)及離線訊號處理;
2)開展發動機系統和元件半實物(故障)模擬;
3)建立故障庫，包括實發故障案例的採集和模擬案例的錄入。
總之，真正意義的可重複使用航天發動機的研製，還需要突破一些關鍵技術。應藉助傳統一次性宇航運輸體系，在不影響飛行成功率的前提下，採用搭載方式開展關鍵技術的工程驗證，漸進式完成從一次性向重複使用發動機的蛻變。國內以某型發動機為平臺突破了60 t級液氧/甲烷重複使用發動機部分關鍵技術、SpaceX的一級或助推回收復飛，都是這種思想的工程實踐。
05結束語
在重複使用運載器發展過程中，相比組合動力，液體火箭發動機是近期運載器實現重複使用的較為現實的動力技術方案。從氫氧發動機校準試車不分解交付飛行，到液氧/甲烷發動機研究的工程實踐，透過技術指標體系分析，可以得到如下結論:
1)新一代無毒無汙無腐蝕推進劑組合是液體火箭重複使用發動機的保障。綜合比較，液氧甲烷推進劑組合是重複使用發動機的最佳選擇。
2)一次性使用發動機簡單移植為重複使用發動機不能解決壽命問題。識別和建立重複使用發動機專用技術體系是當務之急。
3)利用一次性使用發動機作為母機，突破100次重複使用的關鍵技術，降低全壽命週期成本，實現從一次性使用發動機向重複使用發動機的蛻變。