張蒙正,張 玫

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

航天運(yùn)載器的重復(fù)使用一直是各國(guó)追求的目標(biāo)之一，重復(fù)使用的目的在于大幅度降低航天運(yùn)載器發(fā)射成本，利于大規(guī)模開(kāi)展航天活動(dòng)。20世紀(jì)50年代以來(lái)，各航天大國(guó)在重復(fù)使用運(yùn)載器及其動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，提出并研究了多種單級(jí)入軌和兩級(jí)入軌飛行器概念，航天飛機(jī)和SSME發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了部分重復(fù)使用，“獵鷹-9”運(yùn)載火箭一級(jí)Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)成功完成了垂直回收[1]。蘇聯(lián)-俄羅斯也進(jìn)行了能源-暴風(fēng)雪號(hào)、MAKS等重復(fù)使用運(yùn)載器、貝加爾重復(fù)使用助推器研制。歐洲、日本也進(jìn)行了相關(guān)研究，重復(fù)使用的云霄塔及其佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了部分關(guān)鍵技術(shù)突破[2-3]。我國(guó)一直在密切跟蹤國(guó)外技術(shù)進(jìn)展，開(kāi)展了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)展了RBCC[4]，TBCC[5]，(PATR)[6]及TRRE[7]等吸氣式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究，取得了一些成果。

本文簡(jiǎn)要回顧了國(guó)內(nèi)外重復(fù)使用航天運(yùn)載器液體動(dòng)力技術(shù)發(fā)展情況，就液體動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討，供相關(guān)人員參考。

1 動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用的發(fā)展歷程及啟示

運(yùn)載器及其動(dòng)力系統(tǒng)的重復(fù)使用涉及到航天事業(yè)的持續(xù)大規(guī)模發(fā)展，備受各航天大國(guó)關(guān)注。20世紀(jì)50年代，美國(guó)開(kāi)始了重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)的研究工作，基于單級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器的要求，研發(fā)了液氫/液氧、燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)及氣動(dòng)塞式噴管的XRS-2200發(fā)動(dòng)機(jī)[8]。在航天飛機(jī)研制中，SSME[9]發(fā)動(dòng)機(jī)就按飛行次數(shù)55次進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡管實(shí)際工作中沒(méi)有達(dá)到這一目標(biāo)，重復(fù)使用時(shí)的檢測(cè)和維護(hù)工作又很多，但畢竟是實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用，技術(shù)上取得了很大進(jìn)步。2001年前后，為改進(jìn)航天飛機(jī)，美國(guó)又提出RS-84，RS-76及TR-107液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1)，RS-83和COBRA液氧/液氫等多個(gè)重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)方案(圖2)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用設(shè)計(jì)次數(shù)達(dá)到100次。2011年9月，SpaceX公司宣布研發(fā)重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)，開(kāi)啟了運(yùn)載火箭重復(fù)使用的先河，2015年12月實(shí)現(xiàn)了“獵鷹-9”火箭垂直起飛和一級(jí)的垂直回收?！矮C鷹-9”的主動(dòng)力為Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)，液氧/煤油推進(jìn)劑，海平面推力620 kN，可二次起動(dòng)，推力調(diào)節(jié)范圍70%～100% 。2014年，藍(lán)源公司提出了液氧/甲烷、海平面推力2 446 kN的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)，用于未來(lái)的重復(fù)使用(圖3)。20世紀(jì)70～80年代，前蘇聯(lián)在研制RD-170[10]液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和RD-0120[11]液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，就按重復(fù)使用考慮，組件設(shè)計(jì)使用壽命不小于50次，整機(jī)重復(fù)使用15次。但用此發(fā)動(dòng)機(jī)的能源號(hào)火箭僅飛行兩次，發(fā)動(dòng)機(jī)并未實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。20世紀(jì)90年代能源機(jī)械聯(lián)合體以RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，研制重復(fù)使用的三組元發(fā)動(dòng)機(jī)RD-701。最初計(jì)劃用于前MAKS空間飛機(jī)，計(jì)劃重復(fù)使用15次。2004年開(kāi)始，歐洲開(kāi)展了VEDA液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研究，用于新一代兩級(jí)完全重復(fù)使用運(yùn)載器，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)使用次數(shù)為25次。同時(shí)期，歐洲提出多種重復(fù)使用液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，包括VOLGA[12]，Ular及ACE-42R[13]等。20世紀(jì)90年代，日本以HOPE-X為目標(biāo)，利用LE-5和LE-7液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了重復(fù)使用技術(shù)研究。

圖1 可重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.1 Reusable LOX/kerosene rocket engine

圖2 可重復(fù)使用液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Reusable LOX/hydrogen rocket engine

圖3 可重復(fù)使用液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 Reusable LOX/LCH4 engine

組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)始終是重復(fù)使用運(yùn)載器動(dòng)力的重要發(fā)展方向之一。美國(guó)、蘇聯(lián)、歐洲和日本等都一直在探索發(fā)展路線和技術(shù)途徑，進(jìn)行了大量研究，提出多種技術(shù)方案。1999年，NASA提出綜合航天運(yùn)輸計(jì)劃(Integrated Space Transportation Plan，ISTP)，其中設(shè)想的第三代重復(fù)使用運(yùn)載器Spaceliner 100計(jì)劃考慮優(yōu)先發(fā)展火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基組合循環(huán)(RBCC)。2002年，航天發(fā)射倡議(Space Launch Initiative，SLI)在其下一代發(fā)射技術(shù)(NGLT)計(jì)劃中規(guī)劃了火箭沖壓組合循環(huán)和渦輪組合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)研究。美國(guó)空軍的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)組件計(jì)劃(Combined Cycle Engine Components,CCEC)，對(duì)RBCC和TBCC用于兩級(jí)入軌飛行器進(jìn)行了多方案分析評(píng)估，包括用RBCC+Rocket、垂直起飛/水平降落的兩級(jí)入軌軍用空天飛機(jī)(Sentinel)和采用TBCC+Rocket、水平起飛/水平降落的兩級(jí)入軌空天飛機(jī)(Quicksat)[14](圖4)。之后的完全重復(fù)使用進(jìn)入太空技術(shù)(Fully Reusable Access to Space Technologies，F(xiàn)AST)計(jì)劃分別對(duì)以Turbo、Rocket、TBCC、RBCC為動(dòng)力裝置的兩級(jí)入軌(TSTO)飛行器在體積和空載質(zhì)量等方面進(jìn)行分析和論證。2008年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的高超聲速飛行器發(fā)展路線圖明確提出了以重復(fù)使用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)為第一級(jí)動(dòng)力、重復(fù)使用RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)為第二級(jí)動(dòng)力的TSTO飛行器發(fā)展計(jì)劃，使美國(guó)空間進(jìn)入能力由一次性垂直“按計(jì)劃發(fā)射”轉(zhuǎn)換到像飛機(jī)一樣的“按要求發(fā)射”，空軍委托Astrox公司對(duì)多種二級(jí)入軌(TSTO)飛行器的構(gòu)型進(jìn)行比較[15](圖5)。2010年5月，美國(guó)空軍發(fā)布《技術(shù)地平線—2010至2030年空軍科技發(fā)展愿景》(Technology Horizons-A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030 )，該計(jì)劃提出發(fā)展一級(jí)采用重復(fù)使用火箭，二級(jí)采用火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速空間飛行器作為T(mén)STO飛行器[16]。2012年，NASA技術(shù)路線圖指導(dǎo)委員會(huì)、航空航天工程局及美國(guó)科學(xué)院完成的《NASA空間技術(shù)路線圖和優(yōu)先級(jí)：恢復(fù)NASA技術(shù)優(yōu)勢(shì)并為空間新紀(jì)元鋪平道路》又將TBCC和RBCC作為美國(guó)未來(lái)重復(fù)使用運(yùn)載器優(yōu)先發(fā)展的動(dòng)力系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，日本宇航局(JAXA)開(kāi)展重復(fù)使用單級(jí)入軌飛行器研究，主要開(kāi)發(fā)RBCC推進(jìn)系統(tǒng)研究。2005年制定的未來(lái)20年航天長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，還將RBCC列為重復(fù)使用入軌飛行器的重要研究方向，并開(kāi)展了試驗(yàn)研究工作。歐洲航天局(ESA)在20世紀(jì)90年代推出的未來(lái)空間運(yùn)輸研究計(jì)劃(FESTIP)的推進(jìn)計(jì)劃安排了RBCC系統(tǒng)研究。2005年，航天局制定的長(zhǎng)期先進(jìn)推進(jìn)概念和技術(shù)研究計(jì)劃(LAPCAT)也規(guī)劃進(jìn)行RBCC關(guān)鍵技術(shù)和飛行器研究[17]。英國(guó)反作用發(fā)動(dòng)機(jī)公司提出的佩刀(SABRE)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)就是發(fā)展重復(fù)使用的單級(jí)入軌運(yùn)載器(SKLON)，目前已突破空氣預(yù)冷器等部分關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 CCEC計(jì)劃中的Sentinel和Quicksat飛行器Fig.4 Sentinel and Quicksat flight vehicles of CCEC plan

航天運(yùn)載器重復(fù)使用在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程非常曲折，有許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可以從中得到一些啟示：

1)運(yùn)載器的重復(fù)使用始終是航天事業(yè)發(fā)展方向之一，動(dòng)力系統(tǒng)的重復(fù)使用始終是運(yùn)載器重復(fù)使用的關(guān)鍵和首先需要解決的問(wèn)題。

2) 與航空發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)及艦船發(fā)動(dòng)機(jī)等其他動(dòng)力相比，盡管已有航天飛機(jī)SSME等成功案例，但總體來(lái)說(shuō)，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用發(fā)展緩慢，這里固然有大部分的、民用性質(zhì)的航天運(yùn)載器及動(dòng)力是從戰(zhàn)略武器轉(zhuǎn)換而來(lái)造成的先天性問(wèn)題、需求的迫切性問(wèn)題、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念、主要用途及工作環(huán)境所限等客觀原因，但其中的主觀原因也是值得深思的。

圖5 不同動(dòng)力形式的兩級(jí)入軌飛行器對(duì)比Fig.5 Comparison of TSTO vehicles

3)組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的初衷是重復(fù)使用航天運(yùn)載器動(dòng)力系統(tǒng)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)論證了多種方案，不斷進(jìn)步和完善，目前仍處于方案研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。

2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用問(wèn)題探討

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天運(yùn)載器的重要組成部分，重復(fù)使用對(duì)其在性能、可靠性、安全性、壽命、維修性及成本等方面提出的高要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)與一次性使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了重大變化，重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)需與運(yùn)載器共同關(guān)注以下幾方面。

2.1 運(yùn)載器起飛與著陸方式的影響

目前，已經(jīng)提出的重復(fù)使用航天運(yùn)載器發(fā)射與回收方式包括：垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落、水平起飛/水平降落。上述方式對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了一些是否適應(yīng)或者能否發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題。從液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特性分析，垂直起飛有利于運(yùn)載器貯箱推進(jìn)劑的管理、有利于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的起動(dòng)與工作、有利于運(yùn)載器盡快脫離大氣層(縮短發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間)，無(wú)疑是其發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的最佳工作方式，以往的火箭都是以這種方式發(fā)射的；而水平起飛會(huì)造成液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)盡失，無(wú)疑是最不利于其發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的發(fā)射方式。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的運(yùn)載器，如采用垂直降落回收方式，必須要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大范圍連續(xù)變推力的能力，以利于運(yùn)載器在下降段提供反推力，減緩下降速度，減輕著陸時(shí)的沖擊力和適應(yīng)下降時(shí)軌道偏差調(diào)整需求，這勢(shì)必要求運(yùn)載器攜帶更多推進(jìn)劑，造成起飛階段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)更大推力的需求；為保證平穩(wěn)著陸，運(yùn)載器需增加著陸支架等裝置，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等薄壁件也需增加保護(hù)措施，這無(wú)疑又增加了起飛段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力需求。水平降落借助了運(yùn)載器的氣動(dòng)升力，但也需要發(fā)動(dòng)機(jī)有較大范圍的變推力能力，否則，就造成落場(chǎng)時(shí)較大時(shí)間段的無(wú)動(dòng)力滑翔，增加了對(duì)陸場(chǎng)地理位置和技術(shù)的要求。相比較而言，垂直起飛/水平降落對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是有利的。從各國(guó)成功案例來(lái)看，SSME借助航天飛機(jī)外形氣動(dòng)力無(wú)動(dòng)力著陸是成功的，當(dāng)然這需要良好的著陸條件支持，需要國(guó)家地理環(huán)境支撐。Merlin-1D和“獵鷹-9”實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直起飛和垂直著陸，也是成功的案例，這得益于Merlin-1D發(fā)動(dòng)機(jī)出色的性能和“獵鷹-9”一級(jí)動(dòng)力9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的布局方式。

2.2 從整個(gè)運(yùn)載器運(yùn)營(yíng)成本考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用問(wèn)題

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用的根本目的是降低運(yùn)載器的成本。從本質(zhì)上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用僅僅是降低了產(chǎn)品的購(gòu)買(mǎi)成本(或者說(shuō)生產(chǎn)成本)，卻增加了設(shè)計(jì)成本(產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng))，加大了研制成本(需要的部件更多，研制與試驗(yàn)費(fèi)用更大)，帶來(lái)了回收成本和維護(hù)成本(需要回收、運(yùn)輸、清洗、檢查乃至再裝機(jī))。這里，需要仔細(xì)分析液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的回收成本，也必須考慮其維護(hù)成本。航天飛機(jī)和SSME發(fā)動(dòng)機(jī)在重復(fù)使用技術(shù)上無(wú)疑是成功的，但后期的維護(hù)成本造成運(yùn)營(yíng)成本的居高不下，影響了航天飛機(jī)全壽命周期成本，致使其發(fā)射費(fèi)用高昂，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的目標(biāo)。由于垂直著陸方式造成的運(yùn)載器結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加(需要攜帶回收裝置，需要發(fā)動(dòng)機(jī)有更大推力、減小了有效載荷)所引發(fā)的成本，海上回收方式產(chǎn)生的移動(dòng)著陸平臺(tái)的研制、使用與維護(hù)成本，垂直起飛與垂直回收未必是一種對(duì)各國(guó)、各種發(fā)動(dòng)機(jī)都通行的方式。這里不是否認(rèn)“獵鷹”火箭一級(jí)Merlin 1D成功回收帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步和重復(fù)使用意義，而是需要針對(duì)具體問(wèn)題具體分析。

2.3 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念的革新

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最初用于導(dǎo)彈武器，追求的是高性能和可靠性。用于航天運(yùn)載器之后，依然是性能和可靠性優(yōu)先。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，運(yùn)載的成本問(wèn)題日益重要，重復(fù)使用成為需要解決的問(wèn)題。就液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用而言，設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)化或者革新無(wú)疑是最重要的。

1)推進(jìn)劑無(wú)疑是影響液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用能力的重要因素。推進(jìn)劑特性主要影響材料選擇及壽命(尤其是密封材料)、發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)性、人員的安全性等一系列問(wèn)題，這些最終都轉(zhuǎn)化為運(yùn)載器發(fā)射與回收的成本。

2)重復(fù)使用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的材料，尤其是燃?xì)獍l(fā)生器、燃燒室等熱力部件材料的選用或者使用程度提出了新要求，需要考慮更低成本的材料或者給材料留出更大的安全余量；對(duì)與高轉(zhuǎn)速件接觸式的密封件(如石墨材料)、與低溫介質(zhì)接觸的密封件等設(shè)計(jì)均有改進(jìn)之處。

3)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升與燃燒室壓力的大幅度增加有很大關(guān)系，高室壓帶來(lái)了更困難的燃燒室熱防護(hù)問(wèn)題；液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的迅速起動(dòng)要求，產(chǎn)生了燃燒室工作中經(jīng)常出現(xiàn)的溫度峰，轉(zhuǎn)級(jí)過(guò)程出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速峰和關(guān)機(jī)水擊等問(wèn)題。解決這些問(wèn)題需要更好的材料、隔熱技術(shù)，精細(xì)的再生冷卻結(jié)構(gòu)等等，這些和上述的材料一樣都要付出成本代價(jià)。

4)無(wú)論水平與垂直降落，都要求發(fā)動(dòng)機(jī)要有更大范圍的變推力能力，這些都會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒組織方式革新性的變化，也隱含著成本。

5)設(shè)計(jì)之初，就需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，當(dāng)然這是非常困難的，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康都是不一樣的，需要大量的研究工作積累。

2.4 加快圍繞重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制步伐

與航空發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用無(wú)疑將大大減少運(yùn)載器的運(yùn)輸成本。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用尚需開(kāi)展大量的研究工作。

1)就推進(jìn)劑而言，煤油燃料在成本、使用的方便性等方面無(wú)疑是最優(yōu)的，需要考慮的是如何解決發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗，尤其是冷卻槽道的清洗問(wèn)題；

2)推力室和燃?xì)獍l(fā)生器部件是重復(fù)使用的最大著眼點(diǎn)，需要考慮室壓、性能、成本之間的均衡，不能一味地追求高室壓和高性能；

3)推進(jìn)劑供應(yīng)與控制方式需要革新，渦輪泵及調(diào)節(jié)器的工作范圍需要更大范圍的拓展，以適應(yīng)大范圍精確調(diào)節(jié)推進(jìn)劑供應(yīng)問(wèn)題；相應(yīng)的燃燒組織燃燒方式也應(yīng)革新；

4)發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷是與具體發(fā)動(dòng)機(jī)相聯(lián)系的，在此角度，重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)不能是完全新型的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)是現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)或者同類發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上的重新設(shè)計(jì)或者改制，否則健康問(wèn)題(壽命預(yù)估)將無(wú)從談起，健康診斷系統(tǒng)研制失去了基礎(chǔ)。

3 組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)問(wèn)題探討

組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是將兩種或者兩種以上類型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)或者部件共用，熱力循環(huán)或者工作過(guò)程的有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到不同發(fā)動(dòng)機(jī)功能互補(bǔ)，各自在適合的工作區(qū)域內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而使飛行器具有寬速域、大空域、強(qiáng)機(jī)動(dòng)、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的初衷就是為了解決火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)難以獨(dú)立適應(yīng)航天運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。

3.1 與運(yùn)載器工作邊界尚待優(yōu)化

經(jīng)過(guò)多年的論證與探索，兩級(jí)入軌運(yùn)載器已成為今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)重復(fù)使用運(yùn)載器現(xiàn)實(shí)可行的途徑，而水平起飛、水平著陸的一級(jí)飛行器是重要發(fā)展方向。這里，吸氣式組合動(dòng)力是關(guān)鍵。對(duì)于吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，30 km左右基本上是其能夠有效工作的上限，此處的大氣密度僅為地面的1.3%，靜壓的1.1%。兩級(jí)入軌運(yùn)載器對(duì)一級(jí)的分離速度要求是在此處最好能達(dá)到Ma=7～8，這對(duì)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了巨大的問(wèn)題。航天運(yùn)載器載荷一般都非常大，幾十噸重的載荷加上運(yùn)載器自身質(zhì)量，需要一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)有很大的升力和推力。對(duì)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要很大的進(jìn)氣面積，而此時(shí)燃燒室壓力又處于低壓力水平，以目前的研究結(jié)果，1 m2捕獲面積的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生的推力小于50 kN(25 km，Ma=6.0)，僅僅依靠超燃發(fā)動(dòng)機(jī)能否產(chǎn)生足夠有效的推力值得深入研究。Ma>7會(huì)對(duì)運(yùn)載器和動(dòng)力系統(tǒng)的熱防護(hù)帶來(lái)巨大問(wèn)題。作為一級(jí)運(yùn)載器吸氣式組合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際工作上限尚待深入分析和驗(yàn)證。

3.2 方案驗(yàn)證與優(yōu)化

目前在論證和在探討的組合動(dòng)力裝置有渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)、火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(RBCC)、三組合發(fā)動(dòng)機(jī)(如TRIJET[18]、TRRE)、預(yù)冷空氣類發(fā)動(dòng)機(jī)(SABRE、PATR)等不同方案?？偟膩?lái)看，每種方案都有其可取之處，但也存在明顯不足，尚難完全適應(yīng)航天運(yùn)載器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的需求。如TBCC因渦輪難以適應(yīng)高馬赫數(shù)飛行，無(wú)論串并聯(lián)均存在的“死重”、Ma=2～4之間的“推力鴻溝”及高馬赫數(shù)推力不足等問(wèn)題，使其很難適應(yīng)一級(jí)運(yùn)載器的需求。RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)段可預(yù)見(jiàn)其性能及其用途，但在低馬赫數(shù)段(Ma﹤2.0)因低壓與燃燒組織帶來(lái)的推力不足問(wèn)題使其在實(shí)際飛行器上難以水平起飛，垂直起飛也難產(chǎn)生足夠推力，且存在與大型液體火箭結(jié)構(gòu)適應(yīng)性問(wèn)題。三組合發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在進(jìn)排氣的大范圍調(diào)節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)多模態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡、控制系統(tǒng)復(fù)雜及“死重”過(guò)大等問(wèn)題，用于一級(jí)運(yùn)載器是否能達(dá)到理想的推力及推質(zhì)比要求尚難回答。預(yù)冷空氣類發(fā)動(dòng)機(jī)一般均用氫作燃料，氫的低溫和低密度使得這類發(fā)動(dòng)機(jī)在感覺(jué)上總不如碳?xì)淙剂嫌星巴?。這些發(fā)動(dòng)機(jī)或多或少均有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)，熱力循環(huán)和結(jié)構(gòu)上尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)融合，且所有的方案尚無(wú)一種得到系統(tǒng)驗(yàn)證。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用是尚待研究的問(wèn)題，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用尚未開(kāi)展實(shí)質(zhì)性工作，組合方案尚需不斷完善，還期待出現(xiàn)新的方案。

3.3 在方案論證、設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中引入重復(fù)使用理念

無(wú)論目前存在多少不足和問(wèn)題，組合動(dòng)力系統(tǒng)終將是兩級(jí)入軌運(yùn)載器的一級(jí)動(dòng)力裝置的選項(xiàng)，最終只是哪種方案的問(wèn)題。航天運(yùn)載器對(duì)組合動(dòng)力系統(tǒng)在壽命、可靠性、性能、安全性、使用維修性及成本等方面有很高的要求，且需要能快速檢測(cè)與維護(hù)，如今天的航空發(fā)動(dòng)機(jī)一般。目前，組合發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于方案論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，這兩者是相輔相成的，方案牽引出相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，而關(guān)鍵技術(shù)在支撐著方案的可行性。無(wú)論哪種組合動(dòng)力，其基礎(chǔ)都源于目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。因此，就技術(shù)而言，組合發(fā)動(dòng)機(jī)和今天的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是繼承與發(fā)揚(yáng)的關(guān)系，當(dāng)然包括重復(fù)使用技術(shù)，這就使得組合發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)考慮重復(fù)使用問(wèn)題時(shí)，技術(shù)上不是“空中樓閣”“無(wú)從下手”。目前發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)非常成熟的重復(fù)使用設(shè)計(jì)理念和思想，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與部件的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法的重復(fù)使用技術(shù)均可借鑒。關(guān)鍵在于，方案論證、設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)之初，就需要引入“重復(fù)使用”或者“成本”的理念。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)重復(fù)使用的目的在于降低航天運(yùn)輸成本，動(dòng)力系統(tǒng)的重復(fù)使用是關(guān)鍵部分，也是首先要解決的問(wèn)題。

2)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用應(yīng)從設(shè)計(jì)理念入手，在設(shè)計(jì)方法、材料選型、材料能力的發(fā)揮、生產(chǎn)工藝、維修等方面綜合考慮成本，達(dá)到重復(fù)使用的要求。

3)基于組合循環(huán)動(dòng)力的水平起降飛行器是降低運(yùn)輸成本的重要途徑，也是重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展的重要方向，在方案論證、設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中需引入重復(fù)使用理念。