中國首次實現液體火箭發動機重復使用 - 十年中國造⑨

記者｜馬悅然

在火箭回收重復利用上，中國又前進了一步。

9月13日，西安航天動力研究所官微稱，近日，由西安航天動力研究所自主研制的某型液氧煤油發動機首次實現重復飛行試驗驗證。

該型發動機作為某飛行器主動力裝置參加首飛試驗后，經檢測維護，再次裝配并順利完成了重復飛行試驗。這是國內首次實現了液體火箭發動機的重復使用。

西安航天動力研究所成立于1958年4月2日，又名中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所。該所是中國航天液體火箭發動機研究設計中心。

據西安航天動力研究所介紹，液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置，功能全、性能高、技術難度大、研制周期長。液體火箭發動機的可重復使用技術，對可重復使用航天運載器至關重要。

其中，液氧煤油發動機是國內新一代運載火箭的主要動力裝置，具有高性能、大推力、無毒無污染等優點。

據央視新聞報道，液氧煤油發動機從一次飛行使用到兩次飛行使用這一小步，為后續中國開展更大推力可重復使用液氧煤油發動機研制積累了寶貴經驗、探索了道路，標志著中國航天液體動力可重復使用實現了從零到有的突破。

火箭派聯合創始人、火箭副總指揮萬美對界面新聞表示，原本火箭發動機為一次性使用，重復利用技術實現后，發動機可以多次使用，以降低成本、提高運力。

“尤其在馬斯克的SpaceX推動下，國內外火箭發射由一次性使用到可重復利用已成為必然趨勢。”萬美稱。

2015年12月，美國私營航天企業SpaceX推出的“獵鷹9號”火箭完成首次回收，之后數年內進行了多次重復發射。

據萬美介紹，火箭的一級助推器制造成本占整體火箭制造的70%以上。以SpaceX獵鷹9號為例，在可重復使用情況下，整個一級火箭回收，經過簡單處理后再次利用至第二發火箭，大大降低發射成本。

制造出可重復使用的發動機，是實現火箭回收重復使用必須突破的關鍵之一。發動機是火箭的“心臟”，產生強大動力助推運載火箭進入空間。

西安航天動力研究所稱，“十三五”期間，西安航天動力研究所預先開展了液氧煤油發動機重復使用關鍵技術研究，取得了大量理論和試驗研究成果，為液氧煤油發動機重復使用奠定了基礎。

據西安航天動力研究所介紹，重復使用的五大關鍵技術分別是多次點火技術，大范圍變推力技術，力、熱防護技術，重復使用狀態評估技術以及重復使用檢測維護技術。

該發動機從設計之初，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，地面研制試驗實現了單臺發動機不下臺重復試車8次。

西安航天動力研究所所長張曉軍表示，中國液氧煤油發動機首次重復飛行成功，標志著發動機重復使用技術進入實戰階段。

根據發動機使用的燃料不同，火箭可分為固體火箭和液體火箭。

液體火箭是指采用液體推進劑的發動機作為動力系統的火箭；固體火箭則采用固體推進劑的化學火箭發動機為動力系統。

固體火箭具備大推力、可靠性高、發射操作簡單等特點，但也有比沖小、工作時間短、推力不易控制和重復啟動困難的缺點。

液體火箭則具備比沖高、推力可調、可多次啟動等優點，在成本、燃料消耗和可重復使用方面都具備優勢，是可回收運載火箭的較優選擇路徑。

“固體火箭相對結構和技術難度更為簡單，商業航天公司、初創公司多以固體火箭為起步研制型號。”萬美稱，但固體發動機無法實現回收。同時，固體發動機危險性較大，規模化發展后面臨成本限制。一旦點火后，固體發動機難以控制推力，甚至無法控制啟停。

液體火箭中，除液氧煤油發動機外，還包括液氧液氫和液氧甲烷。

萬美表示，液氧液氫由于其技術難度太高，目前商業航天鮮有采納，只有國家隊作為二級或更上級發動機使用場景。液氧煤油和液氧甲烷沒有明顯的優劣之分，不同公司和機構選擇不同。

火箭派研發的火箭選擇的是液氧甲烷。該公司是國內民營商業航天企業之一，已完成中國首個商業航天生物載荷任務，計劃2023年首發國內首個星箭一體化液氧甲烷火箭“達爾文二號”。

火箭回收方式包括垂直回收、傘降回收和帶翼飛回方式等。其中，垂直回收是目前全球主流方式，即通過重啟一級火箭發動機以減速并調整成和地面垂直的姿勢回到指定地點的回收方式。正是憑借這一技術，SpaceX實現最大程度地“降本增效”。

華泰證券研報指出，目前中國民營航天企業每公斤發射成本超過1.5萬美元，是SpaceX獵鷹九號發射成本的5倍，實現一級火箭回收是降成本的關鍵。

國內民營商業航天企業也在積極探索火箭可回收技術。

2019年，翎客航天完成了可回收火箭RLVT5的首次自由狀態下的低空飛行回收試驗。

今年5月，星河動力航天公司宣布，其自主研發的“蒼穹”50噸級可重復使用液氧煤油發動機首次全系統試車獲得成功。

同在5月，深藍航天自主研發的“星云M”1號試驗箭完成了1公里級垂直起飛及降落(VTVL)飛行試驗，實現試驗箭成功回收。

8月，藍箭航天的天鵲80噸改進型火箭發動機二次起動試車，標志著“天鵲”系列液氧甲烷發動機已具備可重復使用能力。

在火箭發射上，中美呈現不同特點。中國火箭發射任務仍以“國家隊”為主，美國則以SpaceX為代表的民營企業為主。

華泰證券數據顯示，20152021年，中國運載火箭商業發射次數共計84次，其中國家隊承擔發射任務77次，占比為91.67%。美國20202021年間共計95次火箭發射任務，均由私營企業完成，其中SpaceX發射次數占總發射次數的58.95%。

萬美認為，未來商業航天企業將有更大的動力，推動火箭可重復使用。