鐘 亞，劉黨輝

(航天工程大學(xué),北京 101416)

0 引言

當(dāng)前工業(yè)技術(shù)、商業(yè)需求的發(fā)展推動(dòng)了微小衛(wèi)星的迅速發(fā)展，但發(fā)射成本居高不下嚴(yán)重制約了微小衛(wèi)星的發(fā)展。近十多年來(lái)，一些機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)始嘗試解決微小衛(wèi)星現(xiàn)階段所面臨的發(fā)射成本較高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)等問(wèn)題。對(duì)微小型運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)成本約占火箭總成本的一半，而且研制發(fā)動(dòng)機(jī)周期長(zhǎng)，技術(shù)門檻高，是決定發(fā)射成本的核心因素。在尋求降低運(yùn)載火箭成本的過(guò)程中，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)、新原理、新材料的研發(fā)，原有技術(shù)繼承改進(jìn)等是有效的途徑。

本文結(jié)合近幾年國(guó)內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司對(duì)微小衛(wèi)星專用發(fā)射運(yùn)載器的研究成果，對(duì)力求降低發(fā)射成本，提高發(fā)射機(jī)動(dòng)靈活性具有代表性的方案進(jìn)行歸納，并對(duì)其中關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析，為我國(guó)新型微小火箭發(fā)展提供借鑒。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的繼承改進(jìn)

研制一型全新的發(fā)動(dòng)機(jī)成本高，周期長(zhǎng)，而對(duì)已發(fā)射成功的火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)改進(jìn)可以有針對(duì)性的解決原有型號(hào)存在的問(wèn)題，并能充分利用已有資源，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)制造成本。

美國(guó)的“米諾陶”系列火箭基本上是美軍方的導(dǎo)彈改良后得到的運(yùn)載火箭，重新使用了由裁減武器條約而退役的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，“米諾陶”I，“米諾陶”II使用LGM-30義勇兵導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，“米諾陶”III，IV及V結(jié)合使用LGM-118A和平守護(hù)者導(dǎo)彈固態(tài)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。在2004年“米諾陶”IV運(yùn)載火箭的發(fā)射成本就低至1 900～2 250萬(wàn)美元，這個(gè)價(jià)格遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)同等運(yùn)力的運(yùn)載火箭，這歸功于其增壓組件由政府提供使用，不需要修改或增加額外組件，降低生產(chǎn)制造成本。該火箭主要任務(wù)是向政府資助的有效載荷提供低成本高可靠性的發(fā)射服務(wù)?！懊字Z陶”IV前三級(jí)都是采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，利用TVA系統(tǒng)控制的可動(dòng)噴管進(jìn)行三軸姿態(tài)控制。第四級(jí)是“Orion38”發(fā)動(dòng)機(jī)，為“飛馬座”計(jì)劃設(shè)計(jì)，用于“米諾陶I”。通用的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、材料和生產(chǎn)技術(shù)使接下來(lái)的“米諾陶”V，VI降低了成本、提高了可靠性。

SpaceX公司的“獵鷹1”號(hào)二級(jí)小型液體運(yùn)載火箭的一級(jí)由“Kestrel”發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)源自阿波羅登月計(jì)劃著陸引擎LEM?！癒estrel”是一種高性能可重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，給“獵鷹”1號(hào)火箭上面級(jí)提供31.1 kN的推力。

日本的“Epsilon”最初是作為2006年9月退役的“M-V”火箭的替代品，旨在為日本較小的衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)[1]。“Epsilon”2009年開(kāi)始研制，其主要目標(biāo)是研制一種便宜、簡(jiǎn)便、高性能的運(yùn)載火箭，并于2013年9月成功實(shí)現(xiàn)首飛?！癊psilon”系列火箭沒(méi)有選擇研發(fā)一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)，而是采用已成功實(shí)踐的“H-II”輔助火箭和“M-V”的上面級(jí)，如圖1所示。在火箭結(jié)構(gòu)方面也是使用從“H-II”和“M-V”繼承的技術(shù)，在減輕火箭重量方面進(jìn)行了改進(jìn)[2]。

圖1 運(yùn)用“M-V”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的“Epsilon” 系列火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.1 Upper engine of “Epsilon” series rocket with “M-V” engine technology

“Epsilon-1”長(zhǎng)24.2 m，直徑2.6 m是“H-II”的一半大?？蓪?.2 t有效載荷送入幾百千米的軌道。據(jù)NASA報(bào)道[3]，“Epsilon-1”在2013年首飛之后進(jìn)行了升級(jí)，并在2016年12月再次成功發(fā)射，在繼承自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的同時(shí)，降低發(fā)射成本，每次發(fā)射成本約為4 500萬(wàn)美元，發(fā)射頻率也有所提高。一級(jí)使用“H-II”系列火箭的75 t SRB-A3固體火箭增壓器，通過(guò)添加固體燃料輥控噴注器在上升期間進(jìn)行姿態(tài)控制?！癊psilon-2”二級(jí)使用M-35代替首航M-34c，用固定優(yōu)化噴管代替可延伸噴管，使得固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸增加，同時(shí)可降低成本，另外，M-35可產(chǎn)生445 kN的推力，遠(yuǎn)超M-34c產(chǎn)生的327 kN推力，并且燃燒時(shí)間增長(zhǎng)15 s。第三級(jí)“Epsilon”使用KM-V2c替代KM-V2b，同樣是固定噴管替換可延伸噴管，相比于2013年的“Epsilon”火箭，在整體上增長(zhǎng)2.6 m。利用更有效率的噴管設(shè)計(jì)，推進(jìn)劑的效率提升許多，降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本[4]。

2 塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用

近幾年，一些國(guó)外公司將目光投向一種先進(jìn)的液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)——塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其將軸對(duì)稱塞式噴管、環(huán)形燃燒室、常規(guī)渦輪泵、渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)氣體注入到噴管基座的排氣系統(tǒng)以及燃燒分離周期結(jié)合起來(lái)，構(gòu)造一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。該新型發(fā)動(dòng)機(jī)是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度的1/4，使用塞式噴管能夠適應(yīng)高度的變化，在高低空都具有出色的性能，相比于常規(guī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大優(yōu)勢(shì)。盡管塞式噴管在空氣動(dòng)力推進(jìn)領(lǐng)域并不新鮮，但是在火箭推進(jìn)領(lǐng)域還是首次應(yīng)用。將其引入運(yùn)載火箭領(lǐng)域旨在簡(jiǎn)化運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到高可靠性和降低成本的目的?，F(xiàn)階段具有代表性的是“螢火蟲(chóng)阿爾法”火箭和ARCA空間公司的“Haas 2CA”火箭。

美國(guó)的“螢火蟲(chóng)阿爾法”小型運(yùn)載火箭使用恒定擠壓液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)[6]，液氧甲烷比沖僅略遜色于液氧液氫，恒定擠壓安全性高而且性能可以達(dá)到要求。其一級(jí)使用9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)構(gòu)成氣動(dòng)塞式(Aerospike)噴管，噴管以傳統(tǒng)鐘型噴管切成兩半為基礎(chǔ)，而后拉伸形成具有半噴管的環(huán)，構(gòu)成噴管的整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)，氣壓使熱氣體保持在類似鐘型噴管壁的一側(cè)。隨著航天器的升高，“噴管”的形狀會(huì)隨著空氣壓力的改變而發(fā)生改變，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，氣動(dòng)塞式噴管解決了傳統(tǒng)鐘型噴管只能在特定高度上保持較高效率的問(wèn)題。

“螢火蟲(chóng)阿爾法”和ARCA航天公司的“Haas 2CA”不約而同的采用了塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，“Haas 2CA”采用的線性塞式發(fā)動(dòng)機(jī)(如圖2)是目前正在開(kāi)發(fā)的最先進(jìn)軌道發(fā)射器火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于其能夠自動(dòng)適應(yīng)高空壓降，在幾乎所有飛行水平下均能達(dá)到最佳性能，因此比其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用燃料少30%。該發(fā)動(dòng)機(jī)旨在保證低成本的基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)高性能。通過(guò)16個(gè)節(jié)流燃燒室來(lái)實(shí)現(xiàn)推力矢量控制，改變各室混合比。ARCA計(jì)劃2018年進(jìn)行首飛，一旦成功，“Haas 2CA”將成為歷史上首個(gè)單級(jí)入軌運(yùn)載器，并且成本預(yù)估只有100萬(wàn)美元。成功的關(guān)鍵在于線性塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器在飛行中自身進(jìn)行調(diào)整，從低空引擎轉(zhuǎn)換為高空引擎。要想實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌，必然要使用一種可以在各個(gè)高度都保持高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)，塞式發(fā)動(dòng)機(jī)正適應(yīng)這種需求。

由于漢江流域水資源開(kāi)發(fā)利用任務(wù)重，涉及防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)各方用水權(quán)益和各部門利益，為完善流域管理和區(qū)域管理相結(jié)合的水資源管理體制，需要建立漢江流域由各省參加的流域水資源管理和保護(hù)聯(lián)席會(huì)議制度，建立跨區(qū)域、跨部門、跨行業(yè)的協(xié)作體制和信息共享機(jī)制，協(xié)商協(xié)調(diào)解決漢江流域水資源管理與保護(hù)的重大事宜。

圖2 兩種塞式發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Two kinds of aerospike engines

該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究目前還處于不斷發(fā)展的過(guò)程中，各國(guó)航天機(jī)構(gòu)力求在降低生產(chǎn)制造成本的基礎(chǔ)上提高發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能。

3 超燃沖壓與組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

上世紀(jì)50年代，各國(guó)已著手開(kāi)展對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，最初的應(yīng)用目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌的飛行器、遠(yuǎn)程高速飛機(jī)和遠(yuǎn)程高超聲速導(dǎo)彈[7]。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、比沖高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中需要氧氣，而運(yùn)載火箭從點(diǎn)火開(kāi)始就需要燃料和氧化劑的消耗，進(jìn)入太空后，外部氧氣含量不足以支持燃燒，這就需要運(yùn)載火箭攜帶足夠的推進(jìn)劑，往往推進(jìn)劑的重量會(huì)占到發(fā)射總重量的50%以上。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理就是在攀升過(guò)程中從大氣中獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑從大氣中獲取氧氣。圖3為固體火箭超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，擁有兩個(gè)燃燒室(超聲速燃燒室和固體火箭燃燒室)，固體燃料首先在其燃燒室內(nèi)燃燒，燃后氣體與超聲速空氣在超聲速燃燒室二次混合燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)?，?jīng)噴管膨脹后產(chǎn)生推力[8]。

2016年11月17日BBC網(wǎng)站披露，澳大利亞昆士蘭大學(xué)正在研究一種三級(jí)入軌運(yùn)載器——“SPARTAN”，目標(biāo)是將500 kg衛(wèi)星送入軌道，并降低發(fā)射成本。一級(jí)為可重復(fù)使用的火箭助推器ALV(Austral Launch Vehicle)，將運(yùn)載器送到25 km高度，速度到達(dá)5 Ma，二級(jí)由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，飛行2/3航程，在此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)可以充分利用空氣中的氧氣，進(jìn)入外層空間后分離，由第三級(jí)繼續(xù)工作。重復(fù)使用的ALV和第二級(jí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)使得該系統(tǒng)95%可重復(fù)使用，降低成本。

圖3 固體火箭超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)理Fig.3 Working mechanism of solid rocket scramjet engine

“SPARTAN”的選擇很明顯，因?yàn)槌紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要首先達(dá)到一定的初速度，所以現(xiàn)階段超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)還不能夠單獨(dú)運(yùn)用到運(yùn)載火箭發(fā)射中。因此，在航天方面超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)多是組合使用，像火箭基組合循環(huán)(RBCC)以及渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)。其中渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)適用于馬赫數(shù)5～8的高超聲速飛行器，不適合用于運(yùn)載火箭，這里不做討論?；鸺M合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以火箭/雙模態(tài)沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)為代表，已開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用研究的飛行試驗(yàn)階段。RBCC是對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的整合。工作模態(tài)分為：引射、亞燃沖壓、超燃沖壓和純火箭模態(tài)[9]。將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、低比沖的特點(diǎn)和吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)低推重比、高比沖的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，進(jìn)而達(dá)到高效和經(jīng)濟(jì)的特性。

早在2000年，Aerojet公司就成功完成對(duì)Strutjet基于火箭組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。在飛行過(guò)程中，Strutjet發(fā)動(dòng)機(jī)首先是引射模態(tài)，加速到3 Ma后，進(jìn)入沖壓模態(tài)，達(dá)到8 Ma后，轉(zhuǎn)為純火箭模態(tài)，在大氣層外繼續(xù)加速。因?yàn)榇髿馓峁┝舜蟛糠值难趸瘎啾扔谄胀ㄟ\(yùn)載器，運(yùn)載器重量能降低大約一半，相應(yīng)的運(yùn)載能力提高，成本降低。NASA的ISTAR發(fā)動(dòng)機(jī)基于Strutjet發(fā)動(dòng)機(jī)，于2015年開(kāi)發(fā)出全尺寸實(shí)用發(fā)動(dòng)機(jī)[10]。

推進(jìn)劑質(zhì)量的減少以及不局限于只能在大氣內(nèi)飛行等特點(diǎn)，RBCC必將在未來(lái)運(yùn)載器的市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。對(duì)于微小型運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)，RBCC的工作模式和特點(diǎn)符合微小型運(yùn)載火箭低成本靈活高效的需求。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印技術(shù)

2015年4月15日，硅谷公司在加利福尼亞成功進(jìn)行火箭試驗(yàn)，雖然飛行時(shí)間很短，但是這是人類歷史上第一次運(yùn)用3D打印技術(shù)打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功采用陸基發(fā)射方式發(fā)射成功。2017年5月24日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司的“電子”號(hào)小火箭首飛，此小火箭是專門面向小衛(wèi)星市場(chǎng)，提供低成本、輕便的發(fā)射服務(wù)[6]。

“電子”號(hào)是一種小型火箭，使用碳復(fù)合材料作為主體，用于向國(guó)際空間站發(fā)射有效載荷。發(fā)射成本約490萬(wàn)美元，“電子”號(hào)小火箭中最具代表的是其革命性的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。其一級(jí)采用9個(gè)小型液體推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)使用1個(gè)相同發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)以新西蘭科學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Emest Rutherfod)命名，單個(gè)“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)在真空中能夠產(chǎn)生22 kN最大推力，用獨(dú)特的電動(dòng)泵壓式的發(fā)動(dòng)機(jī)取代了傳統(tǒng)渦輪泵增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在降低總體重量的同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。對(duì)于“電子”號(hào)火箭來(lái)說(shuō)，每級(jí)的單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生超過(guò)8.5 kN的點(diǎn)火推力，隨著高度的上升，推力可增加到略大于10.2 kN。二級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)真空優(yōu)化可產(chǎn)生最大11.2 kN的推力。

這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用3D打印技術(shù)方式，主要部件包括閥門、噴注器、泵以及發(fā)動(dòng)機(jī)腔室全部都是3D打印而成，并且整個(gè)打印過(guò)程只需24 h。如果采用傳統(tǒng)手段制造，則需要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的時(shí)間。在燃料和氧化劑從推進(jìn)劑貯箱下流入燃料和氧化劑泵中時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵為推進(jìn)劑增壓。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的泵由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)泵電動(dòng)機(jī)由鋰聚合物電池組供電。獨(dú)特的電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)取代了傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的渦輪組件，節(jié)省了推進(jìn)劑的消耗，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，液氧從推進(jìn)劑貯箱進(jìn)入氧化劑電動(dòng)泵泵后，直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；煤油也從其貯箱進(jìn)入燃料電動(dòng)泵，不同的是在到達(dá)燃燒室之前，先經(jīng)過(guò)身部冷卻通道換熱，如圖4所示。基于3D打印技術(shù)以及電驅(qū)動(dòng)的方式，“盧瑟?！卑l(fā)動(dòng)機(jī)效率可以達(dá)到95%，符合未來(lái)航天低成本高可靠性、快速響應(yīng)的發(fā)展方向。

圖4 “盧瑟?！卑l(fā)動(dòng)機(jī)及工作機(jī)理Fig.4 “Rutherford” engine and its working principle

3D打印技術(shù)在航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅局限于小型運(yùn)載火箭，除“電子”號(hào)小型運(yùn)載火箭的“盧瑟?！卑l(fā)動(dòng)機(jī)外，在大型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造中也得到充分運(yùn)用。在2014年，Aerojet Rocketdyne宣布，使用3D打印技術(shù)直接制造出一臺(tái)完整“迷你型Banton”液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并成功通過(guò)測(cè)試。AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主噴注器完全使用3D打印技術(shù)制造，僅此一項(xiàng)就減少零部件9個(gè)月的制造時(shí)間，降低70%成本。SpaceX公司在2013年使用鎳鉻合金材料，運(yùn)用3D打印技術(shù)制造SuperDraco火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，此發(fā)動(dòng)機(jī)十分復(fù)雜，運(yùn)用傳統(tǒng)制造技術(shù)很難加工，制造成本和周期長(zhǎng)，EOS可打印高強(qiáng)度先進(jìn)合金的能力正是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。2018年1月發(fā)射的“獵鷹-9”火箭上也有很多3D打印的零部件。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)新材料技術(shù)

先進(jìn)復(fù)合材料ACM(Advanced Composite Materials)具有優(yōu)異的性能，在航天發(fā)動(dòng)機(jī)方面得到廣泛應(yīng)用。C/C復(fù)合材料屬于高性能、功能復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高模量、高斷裂韌性及隔熱性能良好等優(yōu)異特性，在2 000 ℃以上的非氧化環(huán)境下具有輕質(zhì)，高強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此可以用于運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管制造[8]，可大幅度減小噴管的質(zhì)量，簡(jiǎn)化噴管結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)低，選擇其作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯不會(huì)像鎢滲銅喉襯一樣易產(chǎn)生Al2O3沉積層，效率高。C/C復(fù)合材料與石墨材料相比，性質(zhì)相似，但是抗熱震能力強(qiáng)，在工作時(shí)間較短的中小型發(fā)動(dòng)機(jī)上可以采用石墨材料，在其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，石墨材料就會(huì)差很多，C/C材料就更加合適。由于3D-C/C復(fù)合材料以碳纖維三維編織物為增強(qiáng)體制得，一次編織成型、不需要縫合和機(jī)械加工，纖維貫穿材料長(zhǎng)、寬、高三方向形成三維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅可以等效替換傳統(tǒng)金屬件，而且能夠根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)進(jìn)行靈活的優(yōu)化，因此已成為航天、航空等高科技領(lǐng)域的重要新型材料[12-13]。

上世界80年代，西歐采用SEP研制的螺旋形狀碳布鋪層2D-C/C擴(kuò)張段。日本的“Epsilon”系列運(yùn)載火箭一級(jí)使用“M-V”的發(fā)動(dòng)機(jī)，SRB-A噴管使用3D-C/C復(fù)合材料具有整體喉襯入口段的鐘型噴管，采用整體碳纖維-環(huán)氧纖維纏繞殼體[12]。美國(guó)CASTOR120，ORBUS2，日本的M系列(M14，M25)都是用于小型固體運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，喉襯采用C/C復(fù)合材料。印度的S7HPM，M34發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯使用石墨材料。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體中燒蝕層和隔熱層對(duì)材料的要求很高。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體材料經(jīng)歷了4代發(fā)展過(guò)程，分別為金屬材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機(jī)芳綸復(fù)合材料、高強(qiáng)中模碳纖維復(fù)合材料。近年來(lái)，用高強(qiáng)度碳纖維編制纏繞增強(qiáng)塑料制成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體受到廣泛重視，C/C復(fù)合材料具有強(qiáng)度/質(zhì)量大的優(yōu)勢(shì)，用之可以較大幅度地改善火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體的性能[13]。

意大利研制的“vega”是一個(gè)四級(jí)小型運(yùn)載火箭，作為“阿里安(Ariane)5”火箭和“聯(lián)盟號(hào)”的補(bǔ)充，火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為P80FW,采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維纏繞殼體。二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為Zefiro 23和Zefiro 9也采用碳纖維纏繞復(fù)合材料，但采用的纖維有所不同，P80殼體使用M30S纖維，二、三級(jí)殼體采用T1000G,可以滿足更嚴(yán)格的質(zhì)量比要求。我國(guó)玻璃纖維/環(huán)氧、芳綸/環(huán)氧ACM及碳ACM等材料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體已應(yīng)用于航天運(yùn)載器[14]。

6 結(jié)束語(yǔ)

微小衛(wèi)星如火如荼的發(fā)展，發(fā)射需求的不斷增長(zhǎng)，帶動(dòng)微小型運(yùn)載火箭及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)作為其中成本占比最高，最關(guān)鍵也是最困難的部分，一直是各國(guó)關(guān)注以及亟待尋求進(jìn)展的部分。對(duì)原有技術(shù)的繼承與發(fā)展、新型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)研制，都應(yīng)考慮這些方面的得失。據(jù)此對(duì)我國(guó)微小型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提出一些建議：

1)繼承改進(jìn)原有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。充分利用已有資源，對(duì)原有技術(shù)繼承應(yīng)用、創(chuàng)新應(yīng)用，降低研制生產(chǎn)成本。

2)開(kāi)發(fā)新型微小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。塞式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用到單級(jí)入軌火箭中可達(dá)到降低發(fā)射成本，提高可靠性的目的。我國(guó)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高超聲速飛行器方面也在開(kāi)展試驗(yàn)，但是將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用到航天領(lǐng)域還缺乏創(chuàng)新點(diǎn)，尤其是對(duì)RBCC的研究起步比較晚，國(guó)內(nèi)應(yīng)及早制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略，緊跟國(guó)際動(dòng)態(tài)。

3)發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料。3D打印制造技術(shù)的應(yīng)用針對(duì)解決復(fù)雜零件生產(chǎn)以及生產(chǎn)周期長(zhǎng)的問(wèn)題有明顯的優(yōu)勢(shì)；開(kāi)發(fā)具有高性能、功能性先進(jìn)復(fù)合材料及其制造工藝，從而提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性。