（上海宇航系統(tǒng)工程研究所）

國(guó)內(nèi)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

Development Situation and Trend of Domestic and Foreign Upper Stage Engine Technologies

趙自強(qiáng) 劉漢兵 吳志亮（上海宇航系統(tǒng)工程研究所）

近兩年，隨著我國(guó)的遠(yuǎn)征—1、1A、2上面級(jí)相繼完成首飛，“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)的型譜逐步完善。2015年3月30日，我國(guó)長(zhǎng)征-3C/遠(yuǎn)征—1上面級(jí)（又稱“太空擺渡車”）首次發(fā)射成功，將一顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。2015年7月25日，長(zhǎng)征-3B/遠(yuǎn)征—1上面級(jí)以一箭雙星方式成功將兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。2016年6月26日，長(zhǎng)征-7/遠(yuǎn)征—1A上面級(jí)（升級(jí)版“太空擺渡車”）成功將多用途飛船縮比返回艙、傲龍—1空間碎片主動(dòng)清理飛行器、天鴿飛行器（2個(gè)）、在軌加注實(shí)驗(yàn)裝置和翱翔之星等5項(xiàng)6個(gè)載荷送入預(yù)定軌道。2016年11月3日，長(zhǎng)征—5/遠(yuǎn)征—2上面級(jí)成功將實(shí)踐-17衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，遠(yuǎn)征—2上面級(jí)是我國(guó)目前規(guī)模最大、變軌能力最強(qiáng)的上面級(jí)。

1 引言

上面級(jí)是介于基礎(chǔ)級(jí)火箭與有效載荷之間相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)載器，具備軌道機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移能力，將有效載荷送入預(yù)定軌道。上面級(jí)一般具有多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌工作、多任務(wù)適應(yīng)等特點(diǎn)。上面級(jí)是提高基礎(chǔ)級(jí)火箭運(yùn)載能力和提升任務(wù)適應(yīng)性的有效途徑，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，以美國(guó)和蘇聯(lián)為代表的世界航天強(qiáng)國(guó)就開(kāi)始了上面級(jí)研發(fā)，先后研制出了數(shù)十種類型各異、功能多樣的上面級(jí)。目前上面級(jí)應(yīng)用廣泛，以2011年國(guó)外火箭發(fā)射情況為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2011年國(guó)外火箭發(fā)射共65次，其中使用上面級(jí)共41次，占63%。

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是提高上面級(jí)運(yùn)載能力及多任務(wù)適應(yīng)性的關(guān)鍵，因此國(guó)外對(duì)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)非常重視，各航天強(qiáng)國(guó)都積極研發(fā)先進(jìn)的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。本文以主要用于軌道機(jī)動(dòng)的液體推進(jìn)上面級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期找出一些趨勢(shì)性、規(guī)律性的結(jié)果，為我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)的技術(shù)發(fā)展提供借鑒與參考。

2 上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)需求分析

為使上面級(jí)具備較強(qiáng)的軌道機(jī)動(dòng)能力和多任務(wù)適應(yīng)性，對(duì)上面級(jí)關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提出了如下需求：

1）比沖高。隨著航天器發(fā)射市場(chǎng)的多樣化發(fā)展，中高軌直接入軌、多星發(fā)射與軌道部署、進(jìn)入環(huán)月軌道及深空探測(cè)等任務(wù)對(duì)運(yùn)載能力大的上面級(jí)提出了迫切的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)比沖越高，速度增量越大、推進(jìn)效率越高，從而上面級(jí)運(yùn)載能力越大、任務(wù)適應(yīng)性越強(qiáng)，因此要求上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高。

2）多次起動(dòng)。目前航天器發(fā)射市場(chǎng)上不同軌道的多顆衛(wèi)星組合發(fā)射、低地球軌道（LEO）/中地球軌道（MEO）星座部署等任務(wù)均要求上面級(jí)具備多次機(jī)動(dòng)變軌能力，且對(duì)上面級(jí)機(jī)動(dòng)變軌次數(shù)的需求隨著有效載荷數(shù)量、軌道數(shù)量的增加而增加。此外，為了完成深空探測(cè)、地球靜止軌道（GEO）直接入軌等任務(wù)，需要采取靈活的變軌策略，這對(duì)上面級(jí)長(zhǎng)時(shí)間軌道滑行與多次啟動(dòng)能力均提出了較高的要求。因此，為了提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性，要求上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具備多次起動(dòng)能力。

3）工作時(shí)間長(zhǎng)。多星發(fā)射、地球靜止軌道直接入軌、深空探測(cè)、星座部署、在軌服務(wù)等任務(wù)均要求上面級(jí)具備較長(zhǎng)時(shí)間在軌工作能力，因此要求上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)。

4）可搖擺。在多星發(fā)射、星座部署等任務(wù)中，為適應(yīng)衛(wèi)星非對(duì)稱分離時(shí)由于大質(zhì)心偏移帶來(lái)的干擾力矩，一般要求上面級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)可搖擺，從而通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先搖擺來(lái)對(duì)準(zhǔn)上面級(jí)與衛(wèi)星組合體的質(zhì)心，以消除此項(xiàng)干擾力矩。

5）其他。另外，要求上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)空間環(huán)境、推質(zhì)比大、工作可靠、使用安全、維護(hù)方便、成本低。

3 國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展情況

國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀

“阿金納”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

國(guó)外研制了數(shù)十種性能良好、工作可靠的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，以如下典型的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為代表。

（1）美國(guó)

1）“阿金納”（Agena）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)?！鞍⒔鸺{”是美國(guó)第一種具有多次啟動(dòng)能力并能在軌機(jī)動(dòng)飛行的上面級(jí)?！鞍⒔鸺{”上面級(jí)與“大力神”（Titan）、“宇宙神”（Atlas）、“德?tīng)査保―elta）等基礎(chǔ)級(jí)火箭組合使用，是首次完成一次發(fā)射8顆衛(wèi)星的運(yùn)載器，它發(fā)射了美國(guó)第一批月球、金星、火星等探測(cè)器?！鞍⒔鸺{”系列上面級(jí)有阿金納-A、B、D、上升阿金納等4種型號(hào)?！鞍⒔鸺{”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由貝爾公司研制。

2）“半人馬座”（Centaur）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

“半人馬座”是世界上第一種以液氧/液氫為推進(jìn)劑的高能上面級(jí)。“半人馬座”上面級(jí)與“大力神”、“宇宙神”等基礎(chǔ)級(jí)火箭組合使用，發(fā)射了大量月球、火星、木星、金星、太陽(yáng)等探測(cè)器及中高軌衛(wèi)星?！鞍肴笋R座”系列上面級(jí)有半人馬座-D、D1-A、D1-T、G1、2、2A、3和通用“半人馬座”等8種型號(hào)。“半人馬座”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由普·惠公司研制。其中，通用半人馬座上面級(jí)是在半人馬座-2A、3基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，根據(jù)不同的任務(wù)需求配置單臺(tái)或雙臺(tái)RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管可延伸，并采用冗余的點(diǎn)火模塊來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火可靠性。

2014年12月13日完成NROL-35衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的通用“半人馬座”上面級(jí)首次采用單臺(tái)RL-10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)，其真空推力101.8kN，真空比沖4418N·s/kg。

RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)

RL-10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)

“半人馬座”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

（2）俄羅斯

1）“弗雷蓋特”（Fregat）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)?！案ダ咨w特”上面級(jí)是一種自主、靈活的上面級(jí)，主要與聯(lián)盟號(hào)火箭組合使用，可以把有效載荷送入多種不同的軌道，主要用于多星發(fā)射、中高軌直接入軌、深空探測(cè)等任務(wù)。

“弗雷蓋特”系列上面級(jí)主要包括弗雷蓋特-M、MT、SB等型號(hào)?！案ダ咨w特”上面級(jí)采用可搖擺的S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)，由奇馬什設(shè)計(jì)局研制。S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑。通過(guò)節(jié)流調(diào)節(jié)，S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)有大推力（19.85kN）和小推力（14kN）兩種工作模式，大推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級(jí)以較大速度變化進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，小推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級(jí)以高精度或者較小速度變化進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，大推力模式真空比沖3243.8N· s/kg、小推力模式真空比沖3096.8N·s/kg。S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間900s，可重復(fù)起動(dòng)20次，已在飛行中驗(yàn)證了6次重復(fù)起動(dòng)。

2）“微風(fēng)”（Briz）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。“微風(fēng)”上面級(jí)與“質(zhì)子”（Proton）、“安加拉”（Angara）等基礎(chǔ)級(jí)火箭組合使用，主要執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）、地球靜止軌道（GEO）等中高軌道直接入軌發(fā)射任務(wù)?！拔L(fēng)”系列上面級(jí)主要包括微風(fēng)-K、M、KM等型號(hào)。

“微風(fēng)”上面級(jí)采用可搖擺的S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)。S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，真空推力19.62kN，真空比沖3189.9N ·s/kg，工作時(shí)間3ks，可重復(fù)起動(dòng)8次，并且安裝有備份點(diǎn)火模塊，該模塊能夠在主點(diǎn)火程序失敗情況下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

（3）歐洲

歐洲航天局（ESA）研制了多型與阿里安-5（Ariane-5）火箭組合使用的上面級(jí)，既有常規(guī)液體上面級(jí)EPS、EPSV，也有低溫上面級(jí)ESC-A、ESC-B，主要用于地球同步轉(zhuǎn)移軌道等中高軌道直接入軌發(fā)射任務(wù)，且大部分任務(wù)采用“一箭雙星”發(fā)射方式。

1）EPS上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。阿里安-5G（基本型）上面級(jí)采用可搖擺的“艾斯特斯”（Aestus）發(fā)動(dòng)機(jī)。“艾斯特斯”發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/一甲基肼推進(jìn)劑，真空推力29.4kN，真空比沖3151N·s/kg，工作時(shí)間1040s，僅可起動(dòng)一次。

2）EPSV上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。EPSV上面級(jí)是EPS上面級(jí)的改進(jìn)型，其采用的“艾斯特斯”發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力30kN，真空比沖3158N ·s/kg，工作時(shí)間1045s，可重復(fù)起動(dòng)5次。

3）ESC—A上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。ESC-A上面級(jí)采用可搖擺的HM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)。HM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空推力64.8kN，真空比沖4369N ·s/kg，工作時(shí)間970s，僅可起動(dòng)一次。

4）ESC—B上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。ESC-B上面級(jí)采用“芬奇”（Vinci）發(fā)動(dòng)機(jī)。“芬奇”發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空推力180kN，真空比沖4560N ·s/kg，可重復(fù)起動(dòng)5次。由于長(zhǎng)度限制，發(fā)動(dòng)機(jī)采用可延伸噴管。

S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)

S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)

“艾斯特斯”發(fā)動(dòng)機(jī)

HM—7B發(fā)動(dòng)機(jī)

國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

分析國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展脈絡(luò)，可以看出國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高

1）通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖的提高來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而提高上面級(jí)運(yùn)載能力?！鞍⒔鸺{”系列上面級(jí)從最初的Bell 8048發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為Bell 809633發(fā)動(dòng)機(jī)，真空比沖從2697N ·s/kg增加至2853.7N·s/kg；半人馬座系列上面級(jí)RL-10A-3-3發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后，優(yōu)化為最終的RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖從4354.2N ·s/kg增加至4418N·s/kg。

2）通過(guò)使用低溫推進(jìn)劑大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，大大增強(qiáng)了上面級(jí)的空間運(yùn)輸能力。通用“半人馬座”上面級(jí)RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖可達(dá)4418N·s/kg，比目前使用常規(guī)液體推進(jìn)劑中真空比沖最高的“弗雷蓋特”上面級(jí)S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)高1174.2N ·s/kg。采用高比沖的低溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)可極大地增加上面級(jí)總沖，從而大幅提高上面級(jí)運(yùn)載能力，低溫推進(jìn)劑優(yōu)良的比沖性能吸引了各國(guó)發(fā)展低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。歐洲航天局研制的ESC-A上面級(jí)HM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖達(dá)到4369N ·s/kg；ESC-B上面級(jí)芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)也使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖高達(dá)4560N ·s/kg；俄羅斯研制的安加拉-A5火箭上面級(jí)（KVRB）11D56M發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖4522N ·s/kg；日本研制的H-2A/B火箭上面級(jí)LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖4393N ·s/kg；印度研制的地球同步軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭（GSLV MK2）C12上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，真空比沖4429.6N· s/kg。

3）通過(guò)可延伸噴管技術(shù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)面積比來(lái)提高上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖?！鞍肴笋R座”上面級(jí)RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)憑借著強(qiáng)大的工藝水平采取噴管分段設(shè)計(jì)，由一個(gè)固定噴管和一個(gè)可延伸噴管組成，可延伸噴管使得發(fā)動(dòng)機(jī)面積比增加。ESC-B上面級(jí)“芬奇”發(fā)動(dòng)機(jī)也采用可延伸噴管。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)增加

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)增加，一方面可采用軌道滑行的方法提高上面級(jí)運(yùn)載能力，另一方面可提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性。因此，國(guó)外不少上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均從最初的僅能起動(dòng)一次發(fā)展為可起動(dòng)多次。美國(guó)“阿金納”上面級(jí)Bell 8048發(fā)動(dòng)機(jī)只能起動(dòng)一次，改進(jìn)后的Bell 809633發(fā)動(dòng)機(jī)可起動(dòng)3次以上；歐洲航天局的EPSV上面級(jí)艾斯特斯發(fā)動(dòng)機(jī)在EPS上面級(jí)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，起動(dòng)次數(shù)從一次增加至5次；歐洲航天局的ESC-A低溫上面級(jí)HM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)僅能起動(dòng)一次，ESC-A上面級(jí)升級(jí)版的ESC-B上面級(jí)采用芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)也從1次增加至5次。

國(guó)外很多上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均可多次起動(dòng)。俄羅斯任務(wù)適應(yīng)性極強(qiáng)的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級(jí)S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)可起動(dòng)20次；歐洲織女號(hào)（AVUM）火箭上面級(jí)RD-869發(fā)動(dòng)機(jī)可起動(dòng)5次；“質(zhì)子”火箭D系列上面級(jí)11D58M發(fā)動(dòng)機(jī)可起動(dòng)7次。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間延長(zhǎng)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的延長(zhǎng)來(lái)提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性?！鞍⒔鸺{”上面級(jí)Bell 8048發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為Bell 8096發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)間從120s延長(zhǎng)至240s，延長(zhǎng)了一倍；“半人馬座”上面級(jí)RL-10A-3-3A發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間從最初的450s延長(zhǎng)至505s。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提高

提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的措施多種多樣，以下列舉2個(gè)有技術(shù)特色的國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)提高可靠性的措施：

1）選用已有成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)，從源頭上確保了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性?！案ダ咨w特”上面級(jí)S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用于“弗雷蓋特”上面級(jí)之前已經(jīng)在27種航天器上使用過(guò)，成功飛行了30年。

2）采用備份點(diǎn)火模塊，提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作可靠。微風(fēng)-M上面級(jí)S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)起動(dòng)8次，并且有備份點(diǎn)火模塊，能夠在主點(diǎn)火程序失敗情況下重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)成本降低

通過(guò)多個(gè)型號(hào)共用高性能發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成本降低?！鞍肴笋R座”上面級(jí)最新采用的RL-10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)充分繼承了德?tīng)査?4火箭RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)和通用“半人馬座”上面級(jí)RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟模塊，繼承了RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、噴注器、噴管以及RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)、混合比調(diào)節(jié)控制器、點(diǎn)火冗余模塊等部組件。通過(guò)對(duì)RL-10B-2及RL-10A-4-2兩種發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化組合，RL-10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)成為一型性能優(yōu)良、可靠性高、成本低的產(chǎn)品，作為“半人馬座”上面級(jí)、德?tīng)査?4火箭末子級(jí)2個(gè)型號(hào)共用。

4 國(guó)內(nèi)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)現(xiàn)役上面級(jí)有遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)，在研上面級(jí)有遠(yuǎn)征-3上面級(jí)。

遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)均是在國(guó)家某重大專項(xiàng)工程的需求牽引下研制，遠(yuǎn)征-1上面級(jí)與長(zhǎng)征-3A系列火箭組合使用，專用于“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星“一箭一星”或“一箭雙星”發(fā)射任務(wù)。2015年3月30日遠(yuǎn)征-1上面級(jí)首次發(fā)射成功，將一顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，2015年7月25日遠(yuǎn)征-1上面級(jí)以“一箭雙星”方式成功將兩顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。遠(yuǎn)征-1上面級(jí)采用液發(fā)-50D發(fā)動(dòng)機(jī)，液發(fā)-50D發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，真空推力6.5kN，真空比沖3095N ·s/kg，工作時(shí)間約1000s，可起動(dòng)兩次。液發(fā)-50D發(fā)動(dòng)機(jī)為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)泵壓式液體發(fā)動(dòng)機(jī)，由推力室、渦輪泵、火藥啟動(dòng)器、燃?xì)獍l(fā)生器、閥門及管路等組成。遠(yuǎn)征-2上面級(jí)與長(zhǎng)征-5火箭組合使用，專用于“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星“一箭四星”發(fā)射任務(wù)。遠(yuǎn)征-2上面級(jí)采用液發(fā)-51D發(fā)動(dòng)機(jī)，由液發(fā)-50D雙機(jī)并聯(lián)組成，真空推力13kN。液發(fā)-51D發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖、工作時(shí)間、起動(dòng)次數(shù)等其它性能與液發(fā)-50D相同。

遠(yuǎn)征-3上面級(jí)與長(zhǎng)征-2D、4B等火箭組合使用，主要用于中小衛(wèi)星異軌多星發(fā)射及星座組網(wǎng)部署。遠(yuǎn)征-3上面級(jí)采用可搖擺的液發(fā)-5000發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，真空推力5kN，真空比沖3000N ·s/kg，工作時(shí)間1000s，可起動(dòng)21次。液發(fā)-5000發(fā)動(dòng)機(jī)為擠壓式再生冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，由推力室、閥門、搖擺框架及管路等組成。

國(guó)內(nèi)長(zhǎng)征-3A系列火箭三子級(jí)液發(fā)-75發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/液氫推進(jìn)劑，可起動(dòng)兩次，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力82.8kN，真空比沖4292.4N ·s/kg，性能較好，可以作為對(duì)起動(dòng)次數(shù)要求不高、用來(lái)提高基礎(chǔ)級(jí)火箭運(yùn)載能力的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)也在開(kāi)展20kN、30kN低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先研究。20kN低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/煤油推進(jìn)劑，真空推力20kN，真空比沖3488.8N ·s/kg，可起動(dòng)10次；30kN低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/甲烷推進(jìn)劑，真空推力30kN，真空比沖3544.7N ·s/kg，可起動(dòng)20次，工作時(shí)間1000s。

此外，國(guó)內(nèi)“神舟”飛船2.5kN發(fā)動(dòng)機(jī)、嫦娥-5軌道器3kN發(fā)動(dòng)機(jī)、嫦娥-3著陸器7.5kN發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)均采用常規(guī)液體推進(jìn)劑，真空推力約2920～3058N·s/kg，可多次起動(dòng)，能夠作為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖要求不高、用來(lái)提高多任務(wù)適應(yīng)性的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

與國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的差距

與國(guó)外先進(jìn)的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相比，我國(guó)在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展上的主要差距如下：

1）國(guó)內(nèi)現(xiàn)役及在研的常規(guī)液體上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖較低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能有待提高。遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)液發(fā)-51D、50D發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖3095N ·s/kg，比“弗雷蓋特”上面級(jí)S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)低148.8N· s/kg；遠(yuǎn)征-3上面級(jí)FY-5000發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖3000N· s/kg，比“弗雷蓋特”上面級(jí)S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)低243.8N· s/kg。

2）國(guó)內(nèi)現(xiàn)役及在研的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有使用高性能低溫推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)性能相對(duì)較低。國(guó)內(nèi)“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均采用可貯存的常規(guī)液體推進(jìn)劑，真空比沖3000～3095N ·s/kg，比ESC-B低溫上面級(jí)芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)低1465～1560N ·s/kg。而國(guó)內(nèi)使用液氧/煤油、液氧/甲烷推進(jìn)劑的低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研剛起步，短期內(nèi)尚不能裝備于上面級(jí)上進(jìn)行應(yīng)用。

3）目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)泵壓式液發(fā)-51D、50D發(fā)動(dòng)機(jī)僅能起動(dòng)兩次，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)較少，遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)只能用于抬升軌道來(lái)提高基礎(chǔ)級(jí)火箭的運(yùn)載能力，多任務(wù)適應(yīng)性較差。

5 我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展建議

通過(guò)對(duì)國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，為了縮小與國(guó)外先進(jìn)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)差距，對(duì)于我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提出如下幾點(diǎn)建議：

1）提高常規(guī)液體上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。提高上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能可以增大上面級(jí)的運(yùn)載能力，提升上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性。建議對(duì)現(xiàn)役及在研的常規(guī)液體上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采取改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)、使用新材料、采用新工藝等措施來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。例如，可使用復(fù)合材料噴管以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比。

2）提高泵壓式上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)。目前國(guó)內(nèi)泵壓式液發(fā)-51D、50D發(fā)動(dòng)機(jī)僅可起動(dòng)兩次，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)較少，遠(yuǎn)征-1、2上面級(jí)很難滿足不同任務(wù)的發(fā)射需求。建議開(kāi)展上面級(jí)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及各組件多次起動(dòng)技術(shù)研究，突破其關(guān)鍵技術(shù)。

3）確保上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠。為了確保上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠，可采取以下措施：①在滿足功能性能的基礎(chǔ)上，盡量采用簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)零部件數(shù)量，尤其是活動(dòng)部件的數(shù)量；②組成發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的部件、組件盡量選用成熟產(chǎn)品；③在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中盡量簡(jiǎn)化制造工藝。

4）發(fā)展低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著航天推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，不但要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的性能，而且要求其對(duì)環(huán)境的污染小。低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有高比沖、綠色無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，其性能優(yōu)于常規(guī)液體上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，是國(guó)內(nèi)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。常用的低溫推進(jìn)劑有液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷，建議盡快開(kāi)展以液氧/液氫、液氧/煤油、液氧/甲烷作為推進(jìn)劑的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)方案研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，尤其需重點(diǎn)解決低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)空間環(huán)境、推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌蒸發(fā)量控制等難題。

5）開(kāi)展上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力技術(shù)研究?？勺兺屏Φ纳厦婕?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠使上面級(jí)在不同飛行任務(wù)段采用不同大小的推力，從而增加上面級(jí)軌道機(jī)動(dòng)的靈活性，提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性。通過(guò)改變推進(jìn)劑流量進(jìn)行混合比調(diào)節(jié)等措施可實(shí)現(xiàn)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力。建議開(kāi)展上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力技術(shù)研究，突破其關(guān)鍵技術(shù)。

6）跟蹤上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)前沿技術(shù)。采用高能先進(jìn)動(dòng)力以進(jìn)一步提升上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能是未來(lái)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，建議緊密跟蹤國(guó)外對(duì)于電推進(jìn)、核推進(jìn)、離子推進(jìn)、太陽(yáng)能推進(jìn)、混合推進(jìn)等先進(jìn)動(dòng)力應(yīng)用于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)進(jìn)展，可盡早開(kāi)展采用先進(jìn)動(dòng)力的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)先研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)液體上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高、使用低溫?zé)o毒推進(jìn)劑、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)增加、發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間延長(zhǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提高、發(fā)動(dòng)機(jī)成本降低是上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的幾個(gè)趨勢(shì)。我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制起步較晚，其技術(shù)水平與國(guó)外相比還有較大差距，建議國(guó)內(nèi)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制在已有基礎(chǔ)上，采取以下措施來(lái)縮小與國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)差距：①通過(guò)逐步改進(jìn)來(lái)提高現(xiàn)役及在研上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能；②通過(guò)研制低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能質(zhì)的提升；③不斷積累上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力技術(shù)。以此通過(guò)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步來(lái)支撐我國(guó)先進(jìn)上面級(jí)的技術(shù)發(fā)展。