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微信公眾號“ 西安航天動力研究所”9月13日消息，近日，由西安航天動力研究所自主研制的某型液氧煤油發(fā)動機首次實現(xiàn)重復(fù)飛行試驗驗證。該型發(fā)動機作為某飛行器主動力裝置參加首飛試驗后，經(jīng)檢測維護，再次裝配并順利完成了重復(fù)飛行試驗，國內(nèi)首次實現(xiàn)了液體火箭動力的重復(fù)使用。

起步：設(shè)計之初考慮多次工作要求

液體火箭發(fā)動機作為航天運載器的主要動力裝置，功能全、性能高、技術(shù)難度大、研制周期長，液體火箭發(fā)動機的可重復(fù)使用技術(shù)，對可重復(fù)使用航天運載器至關(guān)重要。

20世紀80年代，美國的航天飛機計劃取得成功，實現(xiàn)了部分重復(fù)使用的目標(biāo)，雖然航天飛機主發(fā)動機（SSME）進行了持續(xù)改進，但該發(fā)動機在實際工作中遠未達到55次飛行的設(shè)計目標(biāo)，且重復(fù)使用過程中維護檢測流程復(fù)雜，成本高昂，2011年SSME隨航天飛機退役。進入新世紀，美國私營企業(yè)SpaceX的火箭垂直起降回收技術(shù)引人關(guān)注，2015年底至2016年初，成功完成了陸上發(fā)射場回收和海上平臺回收，代表了可重復(fù)使用運載器的最新進展。

液氧煤油發(fā)動機是我國新一代運載火箭的主要動力裝置，具有高性能、大推力、無毒無污染等優(yōu)點。該發(fā)動機從設(shè)計之初，部組件方案及總體布局按多次工作的要求開展論證，所有閥門均為可多次工作的氣動、電動、液動等工作形式，地面研制試驗實現(xiàn)了單臺發(fā)動機不下臺重復(fù)試車8次。

“十三五”期間，我所預(yù)先開展了液氧煤油發(fā)動機重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了大量理論和試驗研究成果，為液氧煤油發(fā)動機重復(fù)使用奠定了基礎(chǔ)。

攻關(guān)：重復(fù)使用五大關(guān)鍵技術(shù)

由于天地工作環(huán)境的差異性及各種保障條件的限制，液氧煤油發(fā)動機飛行重復(fù)點火與地面試驗重復(fù)點火不能簡單劃等號，飛行力、熱等環(huán)境條件也更加惡劣，因此液氧煤油發(fā)動機重復(fù)使用需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題更多，主要有以下幾個方面：

一、多次點火技術(shù)

采用垂直起降的航天運載器都需要發(fā)動機具備多次點火能力，像SpaceX公司開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機梅林-1D（Merlin-1D），在獵鷹9號垂直起降過程最多要點火工作3次。

液氧煤油發(fā)動機采用了綠色、環(huán)保的推進劑組合，可在一次點火工作后進行吹除處理后，實現(xiàn)發(fā)動機重復(fù)點火工作，技術(shù)上具有重復(fù)使用能力。但航天運載器飛行時，無法實現(xiàn)和地面試驗相同的吹除等保障條件，同時由于低溫發(fā)動機點火準備階段需對低溫系統(tǒng)進行預(yù)先預(yù)冷，所以點火準備期的流程和地面也有較大差異。對于補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機，這些制約條件將更加凸顯，需要對發(fā)動機進行技術(shù)研究，優(yōu)化發(fā)動機點火準備階段的預(yù)冷流程，簡化發(fā)動機關(guān)機后至點火前的吹除處理方案。

目前，我國補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機已在地面試驗實現(xiàn)了不間斷三次點火起動，摸索出了重復(fù)點火工作間的吹除處置和預(yù)冷方法。

二、大范圍變推力技術(shù)

垂直起降的航天運載器在返回過程中，由于推進劑剩余量逐漸減少，運載器重量越來越輕，需要發(fā)動機具備大范圍推力調(diào)節(jié)能力，才能實現(xiàn)減速或地面軟著陸。要實現(xiàn)發(fā)動機的大范圍變推力，需設(shè)置調(diào)節(jié)元件和驅(qū)動機構(gòu)，同時對調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率有要求。另外，工作條件的大范圍變化對發(fā)動機推力室等熱力組件及渦輪泵等主要組件的工作適應(yīng)能力提出了很高要求。

我國液氧煤油發(fā)動機具備無級推力調(diào)節(jié)能力，通過地面試車進行充分驗證，其中推力調(diào)節(jié)機構(gòu)和大范圍推力調(diào)節(jié)能力在新一代長征八號運載火箭上實現(xiàn)了飛行驗證。

三、力、熱防護技術(shù)

與一次性使用運載器相比，重復(fù)使用運載器不僅要求發(fā)動機在上升段工作，而且返回段也要再次點火工作用于運載器減速或著陸，特別是返回段的氣動力載荷條件、噴口反流熱流條件等更加苛刻，需要對發(fā)動機進行力、熱防護技術(shù)研究。另外，非工作段部分貫通內(nèi)腔的接口也需要考慮返回段外界氣壓的變化進行正壓或反向密封保護。

某飛行器試驗的成功，初步驗證了液氧煤油發(fā)動機對重復(fù)使用飛行力、熱載荷條件及免維護防護措施的有效性。

四、重復(fù)使用狀態(tài)評估技術(shù)

為了實現(xiàn)發(fā)動機重復(fù)使用工作的可靠性，需要對返回后的發(fā)動機進行狀態(tài)評估，用于判定發(fā)動機是否具再次飛行的能力，特別是對工作條件惡劣的熱力組件熱疲勞、轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)應(yīng)力疲勞開展專項研究。另外，發(fā)展并采用在線實時健康診斷技術(shù)，實現(xiàn)飛行階段發(fā)動機工作狀態(tài)的健康監(jiān)測或采用動力冗余運載器的彈道重構(gòu)。

國內(nèi)液體火箭發(fā)動機地面故障診斷系統(tǒng)在液氧煤油發(fā)動機研制試驗中應(yīng)用較早，技術(shù)成熟。2022年3月在新一代長征六號甲運載火箭上首次實現(xiàn)了飛行健康監(jiān)控系統(tǒng)的實戰(zhàn)應(yīng)用。通過液體動力健康診斷相關(guān)技術(shù)研究，液氧煤油發(fā)動機在試車或飛行后狀態(tài)評估技術(shù)方面也開展了大量研究工作。

五、重復(fù)使用檢測維護技術(shù)

為了實現(xiàn)低成本，體現(xiàn)出發(fā)動機重復(fù)使用的價值，要求對返回后的發(fā)動機進行的檢測項目越少越好，維護越簡單越好，這與發(fā)動機健康狀態(tài)評估是一對矛盾體，需要開展深入研究，在健康狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上盡量簡化檢測維護方案，最終實現(xiàn)發(fā)動機的低成本、短周期快速檢測維護。

液氧煤油發(fā)動機通過發(fā)射場使用維護簡化研究及重復(fù)使用相關(guān)維護處理技術(shù)研究，實現(xiàn)操作維護項目大幅度精簡，首次實現(xiàn)低溫火箭液氧加注后無人值守功能驗證。

展望：為完全重復(fù)使用積累了寶貴經(jīng)驗

為了實現(xiàn)發(fā)動機短周期處理再次交付飛行，研制團隊在液氧煤油發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)課題研究的基礎(chǔ)上，針對性地制定了發(fā)動機檢測維護方案，做到了短期快速處理交付原機，初步實現(xiàn)了液氧煤油發(fā)動機重復(fù)使用。

隨著人類對太空探索的深入開展，宇航動力技術(shù)開始進入創(chuàng)新發(fā)展和規(guī)?；l(fā)展階段。各航天大國都在積極推動運載火箭升級換代，謀求快速、可靠、低成本地進入太空。主要航天國家和地區(qū)都已建立了比較完善的運載火箭型譜，能夠滿足大、中、小型有效載荷的發(fā)射任務(wù)。主要航天國家大力發(fā)展重型運載火箭，為滿足未來執(zhí)行載人登月及探火、大規(guī)模深空探測等任務(wù)需求；不斷推動可重復(fù)使用運載器的工程化應(yīng)用，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證?；谇捌陉P(guān)鍵技術(shù)驗證和雄厚的專業(yè)基礎(chǔ)，美俄等主要國家下一代火箭動力產(chǎn)品進入整機試車階段，為其新型航天運輸工具提供先進動力基礎(chǔ)。

所長張曉軍表示：“我國液氧煤油發(fā)動機首次重復(fù)飛行成功，標(biāo)志著發(fā)動機重復(fù)使用技術(shù)進入實戰(zhàn)階段，我們將進一步關(guān)注發(fā)動機的高可靠性、低成本、高性能，持續(xù)開展可重復(fù)使用技術(shù)探索，為我國快速大規(guī)模進出太空空間提供堅強動力保障。”