藍(lán)箭航天：研制并發(fā)射全球首枚液氧甲烷火箭

2015年6月，藍(lán)箭航天正式成立。十年來(lái)，藍(lán)箭航天已成為目前國(guó)內(nèi)唯一形成“研發(fā)、制造、測(cè)試、發(fā)射”全鏈條能力建設(shè)和布局的民商火箭公司。6月18日，記者隨“活力中國(guó)調(diào)研行”北京市主題采訪活動(dòng)來(lái)到北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，探訪藍(lán)箭航天。

打開液氧甲烷時(shí)代的大門

2023年7月12日，“朱雀二號(hào)”遙二運(yùn)載火箭在我國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，按程序完成了飛行任務(wù)，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。至此，“朱雀二號(hào)”遙二運(yùn)載火箭成為全球首款成功入軌的液氧甲烷運(yùn)載火箭，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

朱雀二號(hào)改進(jìn)型遙二。藍(lán)箭航天供圖

藍(lán)箭航天成立之初，就在考慮要選擇哪種燃料組合作為未來(lái)商業(yè)火箭的推進(jìn)劑。相比航天煤油，甲烷可以工業(yè)化大批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜，其液態(tài)時(shí)的溫度與液氧接近，使用維護(hù)要求也相近。

另外，他們還意識(shí)到，甲烷燃燒產(chǎn)物潔凈，無(wú)積炭，發(fā)動(dòng)機(jī)使用后無(wú)需清洗，重復(fù)使用場(chǎng)景下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)比液氧/煤油要更方便。因此，藍(lán)箭航天認(rèn)為，甲烷是一種非常適合商業(yè)火箭使用的推進(jìn)劑。

2017年，藍(lán)箭航天將液氧/甲烷確定為自研液體運(yùn)載火箭“朱雀二號(hào)”的推進(jìn)劑。在他們自己看來(lái)，這是一個(gè)大膽而又理性的選擇。

實(shí)際上，液體運(yùn)載火箭已經(jīng)發(fā)展了一百多年。早在20世紀(jì)30年代，德國(guó)就試驗(yàn)了世界上第一臺(tái)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，開創(chuàng)了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)探索研究的歷史。不過(guò)，要完美實(shí)現(xiàn)液氧/甲烷這種推進(jìn)劑組合，并非易事，這其中涉及一系列復(fù)雜的工程問題。

例如，甲烷進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，溫度必須匹配好。若-161℃的甲烷遇到20℃的發(fā)動(dòng)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，大量氣化產(chǎn)生氣泡，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作。為解決難題，藍(lán)箭航天工程師在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，用低溫的甲烷浸泡發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵內(nèi)腔和管路，并維持一定的流動(dòng)，將升溫后的甲烷和氣泡帶走，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)降溫到與甲烷接近的溫度。

藍(lán)箭航天副總裁張靜茹告訴記者，液氧/甲烷推進(jìn)劑由于其積炭少、可長(zhǎng)期貯存、成本低、無(wú)污染、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器的最佳動(dòng)力選擇。

朱雀三號(hào)火箭或?qū)崿F(xiàn)“航班化運(yùn)營(yíng)”

據(jù)了解，藍(lán)箭航天自研的“天鵲”80噸級(jí)液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（TQ-12），是國(guó)內(nèi)首臺(tái)民營(yíng)企業(yè)研制的大推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，也是我國(guó)目前推力最大的雙低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力水平在液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)產(chǎn)品中達(dá)世界第三、亞洲第一。

張靜茹介紹，TQ-12多項(xiàng)自主技術(shù)屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，已突破液氧甲烷高效高穩(wěn)定性燃燒、大型噴管激光焊接、高效率低溫泵、渦輪泵流體動(dòng)壓密封、高精度高壓低溫調(diào)節(jié)器、雙低溫發(fā)動(dòng)機(jī)泵后搖擺、推進(jìn)劑過(guò)冷等十余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2022年，在TQ-12的基礎(chǔ)上，藍(lán)箭航天研發(fā)了“天鵲”80噸級(jí)液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)型（TQ-12A）。這款發(fā)動(dòng)機(jī)有效增強(qiáng)了“朱雀”系列運(yùn)載火箭各類任務(wù)軌道衛(wèi)星的發(fā)射能力，并為子級(jí)回收需求及可重復(fù)使用提供了基礎(chǔ)技術(shù)保障。

目前國(guó)內(nèi)推力最大的真空型液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)是天鵲15A（TQ-15A）。TQ-15A于2021年2月立項(xiàng)并啟動(dòng)研制，在充分集成TQ-12技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加調(diào)節(jié)閥、提高推力室面積比、副路燃?xì)庖胪屏κ业仍O(shè)計(jì)優(yōu)化及改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力提高11.8%，真空比沖提高126m/s，設(shè)計(jì)工況調(diào)節(jié)范圍60%~100%，并具備多次起動(dòng)能力。

去年4月，藍(lán)箭航天的湖州熱試中心創(chuàng)造了TQ-15A單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一天六試的點(diǎn)火試車紀(jì)錄。試車效率的提升，為液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用積累了快速處理方案，也為發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)交付提供了強(qiáng)大支撐。同年，藍(lán)箭航天榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)，這是國(guó)內(nèi)民商火箭公司首度在國(guó)家最高級(jí)別的科技獎(jiǎng)勵(lì)中嶄露頭角。

朱雀三號(hào)火箭是中國(guó)首款不銹鋼液體運(yùn)載火箭，其貯箱結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度不銹鋼材料，在材料選型、結(jié)構(gòu)形式、焊接工藝與生產(chǎn)設(shè)備方面均具有高度的原創(chuàng)性，計(jì)劃于2025年首飛。記者了解到，朱雀三號(hào)火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在火箭回收后可不下箭檢查，加注完成即可再次飛行，實(shí)現(xiàn)真正的“航班化運(yùn)營(yíng)”，發(fā)射成本相較一次性使用火箭可降低80%-90%。

新京報(bào)記者 張建林

編輯 白爽 校對(duì) 李立軍