中国商业航天液氧甲烷火箭发动机研制进展（附3D打印典型应用）
根据泰伯智库，2023-2028年，商业航天产业将进入发展黄金期，预计2025年市场规模将达2.8万亿元。虽然起步晚于国外，但国内商业航天业发展势头迅猛。据新财富统计，目前国内的商业航天独角兽（估值达到67亿元及以上的未上市企业）共10家，总估值达到1038亿元。
3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术。商业航天进入发展快车道，也将极大的刺激3D打印，尤其是金属3D打印技术的应用发展。
根据市场研究咨询机构AMPower, 2022年增材制造市场发生显著变化，航天军工的需求强势崛起，其中商业航天发动机的3D打印需求是主要的驱动因素之一，导致包括对选区熔融金属3D打印、电弧熔丝增材制造技术、激光沉积送粉成形、复合材料增材制造技术的需求都发生了急剧的增长需求。根据AMPower 2023全球工业增材制造市场报告，2022年选区熔融金属3D打印的一个直观的发展趋势是超过600mm加工尺寸的大型设备需求上升，其中航空航天领域购买的金属3D打印设备单台均价在100万欧元以上，一方面满足大尺寸加工零件需求，一方面满足小批量零件的量产制造需求。
© 3D科学谷白皮书
4月24日是第八个中国航天日。值此之际，3D科学谷将分享刊登在《空天动力瞭望》的《全球液氧甲烷火箭发动机研制进展系列—中国商业航天篇》一文，并在文后盘点中国商业航天企业在液氧甲烷火箭发动机研制中所开展的典型3D打印应用。
概述
液氧甲烷火箭发动机具有无毒环保、高比冲、低成本、易于重复使用等特点，并且有在外星原位生产的潜力，能够较好地满足商业化火箭发射的需求，因此液氧甲烷发动机技术近年来随着私人商业航天企业的蓬勃发展而突飞猛进，世界各个国家和地区涌现出一批成熟度各异的有代表性的型号。本文尝试对近年来液氧甲烷发动机研制进展进行一些梳理，以飨读者。
在液氧甲烷发动机领域，中国是世界上除美国外研究最热火朝天的国家，虽然因为历史原因而技术底子薄，研究起步晚，总体研制进度靠后，但进步速度却不落下风。近年来，受商业航天公司崛起的影响，国内也涌现了一批民营航天企业，其中有不少公司瞄准了商业火箭发射市场，开始开发液氧甲烷发动机。本系列第二篇文章介绍中国商业航天公司液氧甲烷发动机研制进展。
蓝箭航天——天鹊系列
北京蓝箭航天公司于2015年成立，2016年下半年开始着手研发液体火箭发动机，目前致力于研制以液氧甲烷发动机为动力的大中型火箭。
蓝箭航天的液氧甲烷发动机产品包括天鹊11（TQ-11）、天鹊12/12A（TQ-12/12A）和天鹊15A（TQ-15A）三型发动机，其中天鹊11可作为游机，天鹊12/12A是一级主发动机（12A是12的改进型），天鹊15A是二级主发动机。三型发动机参数如表 1所示，概念图如图 1所示。
表 1 天鹊系列发动机参数
图 1 天鹊发动机概念图（左：天鹊11, 中：天鹊12，右：天鹊15A）
图：蓝箭航天
天鹊11是蓝箭研制的8吨级四机组发动机游机，每机组推力为2吨，用于火箭推力矢量控制。2018年7月，蓝箭航天召开发布会，对外公布了“80+10”的火箭动力系统技术路线，其中80吨级液氧甲烷发动机(TQ-12)通用于火箭一级和二级，10吨级液氧甲烷发动机(TQ-11)通用于火箭二级游机和三级。
天鹊11采用燃气发生器循环、同轴式涡轮泵，1台涡轮泵同时供应4台个推力室，与80吨的主发动机共用阀门。天鹊11采用了泵后摇摆技术，摇摆角度达±25°，实现火箭的俯仰、偏航和滚转控制，还采用自生增压技术，可直接为推进剂贮箱提供增压介质。在生产上，广泛采用3D打印技术，缩短了组件制造周期。在研制中，天鹊11国内首次将流体动压密封技术应用于液体火箭发动机工程研制，该技术具有低泄漏、零磨损、适应多次起停的特点，能提高发动机的可靠性；此外，还突破高精度低温混合比调节器技术，调节器由电机、控制仪控制器驱动，实现低温发动机混合比无级调节，调节范围达±10%，可减少推进剂剩余量，提高火箭运载能力。
2019年1月，天鹊11完成燃气发生器热试车，7月完成650s推力室长程试车，9月完成半系统试车，11月20日完成总装装配，并在11月30日完成全系统试车，成为当时国内唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机。根据报道，在该次试车中发动机起动关机平稳迅速，实测结果与计算值良好吻合，四台推力室工作一致，各组件振动脉动幅值低，试后产品完好，初步考核了发动机技术方案可行性、起动关机时序合理性、多项创新技术、水平状态游机试车工位适应性。2020年3月，天鹊11在蓝箭湖州试验基地进行了10s、100s、750s（覆盖全部任务时间）和1500s热试车，确认了发动机质量和工艺状态稳定。2020年7月，朱雀二号火箭完成控制系统和二级游机的匹配性验证试验，天鹊11在此次试验中单次工作时间长达3000s，单台累计工作时间4500s，超过额定工作时间5倍，型号累计工作时间超过10000s，完成了±25°摇摆试车。2021年3月，天鹊11又完成一轮试车，单次点火时间4000s，单台累计工作时间超过10000s，型号累计工作时间超过30000s，还完成模拟飞行过程考核，90%~110%连续变推力考核，低温推进剂自生增压试验和摇摆试验等项目。目前从公开报道看来，天鹊11的状态已经比较稳定，已经具备使用条件，后续也顺利参加朱雀二号火箭的联试。
图 2 2019年11月天鹊11全系统热试车
图：蓝箭航天
天鹊12是80吨级发动机主机，是蓝箭航天所有产品中的重头戏。天鹊12的研制比天鹊11更加循序渐进一些，首先进行了缩比验证机的研制，然后再进行全尺寸发动机研制。2017年，蓝箭开始研发10吨级的缩比推力室原型机，同年9月完成推力室设计，2017年底到2018年初完成了燃气发生器点火试验，2018年2月开始推力室试车，验证了全尺寸发动机所涉及的一系列技术。
2018年7月的发布会上，蓝箭宣布完成了天鹊12早期版本的设计工作，随后几个月内，发动机各组件密集交付，并在2019年3月完成装配。同月月底，天鹊12完成5秒的半系统试车，测试了除推力室以外的涡轮泵、燃气发生器、各种阀门、点火和起动装置及总装管路。2019年5月，天鹊12包括推力室在内的整机完成装配，一周后，天鹊12该型号首次完成全系统试车，在接下来的又一周时间里连续进行了四次试车，并在5月17日进行了20s的试车，这标志着天鹊12所需的全部技术基本完成突破。随后，2019年7月，天鹊12又完成了100%推力试车，总试车时间100s，验证了多项发动机技术和并对百吨级发动机试车台进行了考核，报道发动机实测推力高于设计值，部分关键参数达到飞行要求；2019年10月26日，天鹊12完成了变推力长程试车，总试车时间200s，验证了推力调节技术和低温调节器技术。随后，2020年5月，天鹊12完成三次摇摆试车点火试验，与朱雀二号火箭的控制系统进行匹配，验证了大推力主发动机泵后摇摆技术。11月，天鹊12与天鹊11组合成为火箭二级发动机组并完成联合试车，两型发动机共用控制和吹除模块，考核了二级发动机系统和总装结构方案可行性及主机游机工作协调性。2021年1月，天鹊12连续完成五次400s的长程可靠性试车考核，覆盖13倍飞行时间，并进行了推力适应性、混合比适应性、极限入口温度压力试验，验证发动机可靠性和稳定性。2月，四台天鹊12构成了的火箭一级动力系统组装完成，这标志着天鹊12该型号已基本定型。根据蓝箭航天发布的消息，截至2022年7月底，已经有37台天鹊12被生产出来发动机出厂，热试车时间总计超过20000s，单台发动机累计启动11次，累计点火时间3357s。
天鹊12A是天鹊12发动机的改进型，于2021年2月天鹊12完成研制后立项，充分继承了天鹊12前面型号的技术，通过设计优化提高了9%的推力和4s的比冲，并且减轻了100kg的重量。TQ-天鹊12A在2022年8月进行了二次起动考核试车，在工作400s后关机，再然后二次起动工作10s，发动机起动关机正常，工作平稳。
天鹊15A可以看做是天鹊12的真空版改进型，与后者共用涡轮泵、阀门、燃气发生器等关键部件，取消了游机，节省了400kg重量，同时增大了喷管面积比，同时还具备±4°双向摇摆功能，可点火三次，可具备60%~110%深度变推能力，涡轮排气引入喷管延伸段，提高比冲同时减小了侧向力。2022年9月25日，天鹊15A完成装配，10月19日在湖州基地完成首次全系统试车，试验时长20s，该次试车带伺服机构，但不带大未使用喷管延伸段，考核了改进方案可行性和时序正确性。
图 3 2019年5月17日，天鹊12首次完成全系统热试车
图：蓝箭航天
2022年11月，蓝箭航天自主研制的朱雀二号运载火箭（遥二）主要部组件齐套，在嘉兴蓝箭航天中心开始总装工作。该火箭为两级运载火箭，一级采用4台天鹊12系列80吨级液氧甲烷发动机并联，二级采用单台天鹊12系列发动机和一台10吨级天鹊11发动机游机。12月14日16时30分，蓝箭航天在酒泉卫星发射中心执行朱雀二号遥二首次飞行试验，火箭一二级主机工作正常，但二级的天鹊11游机工作异常，最终发射任务未能成功。尽管朱雀二号这次不幸未能成为全球首款成功入轨的液氧甲烷火箭，但据报道，火箭仍飞越了卡门线（海拔100km），可以说在液氧甲烷发动机的实战验证中走得最靠前了。
星际荣耀—焦点系列
北京星际荣耀公司于2016年10月成立，致力于研发商业运载火箭并提供系统性发射解决方案，为客户提供系统、高效、优质、具性价比的发射服务，提升人类自由进出空间的能力解决方案。星际荣耀的液氧甲烷发动机产品包括焦点1号和焦点2号，其中焦点1号（JD-1）是15吨级推力发动机，预计将配备到双曲线二号火箭上，其一子级采用9台焦点1号发动机，二子级采用一台。焦点2号（JD-2）是100吨级推力主发动机，将被用于未来的双曲线三号运载火箭上，一子级配备9台焦点2号发动机，二级配备一台焦点2号真空版。两型发动机参数如表 2所示，概念图如图 4所示。
表 2 焦点系列发动机参数
图4 焦点发动机概念图（左：焦点1号，右：焦点2号）
图：星际荣耀
尽管星际荣耀公司成立时间比较早，但前期主要集中精力在固体火箭的研制上，在液氧甲烷发动机上的研制开始较晚。2018年6月1日，星际荣耀发布新闻称焦点1号燃气发生器点火试验成功，2019年3月完成涡轮泵和副系统100s联试，4月完成推力室点火试验，7月完成200s的全系统长程试车，完成结束了模样阶段研制。同年12月25日，焦点1号完成500s全系统试车，说明其可靠性达到一定水平。2020年5月19日到6月6日，同一台发动机又先后完成四次试车，最长点火时间达500s，累计点火时间超过了1500s，验证了二次起动、自生增压系统、分瓣式浮动环密封、气瓶起动等技术，7月8日到17日，焦点1号又完成了两次200s的变推力长程试车，验证了连续流量调节机构的可靠性，累计试车时间达到2107.5s，至此该型号基本完成阶段性研制目标。
2020年11月11日，焦点1号完成500s的二次起动摇摆试车，2021年4月1日，完成500s模拟飞行变推力试车，发动机在50%-100%推力范围内连续工作，试验证明发动机具备执行垂直起降任务的条件，4月26日，发动机又完成与箭上控制系统的联合热试车。
图5 2019年12月25日，焦点1号完成500s长程试车
图源：星际荣耀
至于焦点2号，目前与其相关的消息较少，星际荣耀官方只说透露信息仅包括它的推力为百吨量级和比冲大于>300s，前面表2中所列具体参数来自国外爱好者整理，没有缺少更多资料佐证。2022年9月2日，星际荣耀宣布焦点2号的火炬点火器和针栓喷注器燃气发生器联合点火试验取得成功。后续该型号应该可能会有更多进展，但目前未有公开消息表明星际荣耀拥有自己的试验台，焦点系列的试验可能是在租用的试验台完成的，而焦点2号的推力较大，需要更大更好的推进剂保障设施，其研制速度可能会严重受限于目前租用试验台的试验能力。
九州云箭——凌云、龙云
九州云箭公司（北京）空间科技有限公司成立于2017年10月，是一家专业研制液氧甲烷发动机的民营航天企业。与蓝箭航天和星际荣耀不同的是，该公司九州云箭专注于制造液氧甲烷发动机而不涉及运载火箭。
九州云箭的主要产品包括10吨级的凌云和70吨级的龙云两型发动机，小推力的凌云通过多级并联可满足小型液体火箭的发射、回收及复用需求，也可以用于上面级，而大推力的龙云可以作为主动力使用。两型发动机参数如表 3所示，概念图如图 6所示。
表3 龙云、凌云发动机参数
图6 凌云（左）、龙云（右）发动机概念图
图：九州云箭
(责任编辑：admin)
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