深度分析：大推力火箭发动机发展趋势

来源：高端装备发展研究中心

导 读

运载火箭是把各种航天器送入空间轨道的运载工具，它是人类克服地球引力进行宇宙航行的重要手段。而在运载火箭家族中，重型运载火箭代表着一国最高科技水平，是国家综合实力的体现。要发展重型运载火箭，大推力的火箭发动机是必不可少的。

说起大推力的重型运载火箭，人们很容易想起登月的土星5火箭和苏联的能源火箭，不过这些LEO运载能力百吨级的巨型运载火箭任务单一，早已退役多年。当前世界上主流的大型运载火箭的LEO运载能力为20吨左右、GTO运载能力在8~12吨级。

大推力火箭发动机的发展

纵观世界各国大型、重型运载火箭的发展历程，液体芯级捆绑固体助推（以高比冲的氢氧发动机作为芯级，大型固体助推发动机作为助推动力）已成为国外大型运载火箭发展的一条主要技术途径。这种动力组合可以充分发挥固体大推力、液体长时间工作的技术优点，形成性价比较高的运载火箭起飞级动力。为了提高可靠性、降低发动机组合数量，发动机推力一般都要求在500吨级以上。

20世纪90年代后，提高使用寿命、降低运行成本成为航天运载器液体火箭发动机的基本趋势，多种新型液体主发动机投入使用。美国、俄罗斯、欧洲和日本研制的新型运载火箭都呈现大直径、大运载能力、少级数、低成本、高可靠、无污染和易操作的发展趋势。

(注：黄色区域为在研火箭)

目前世界上的液体和固体大推力火箭发动机以俄罗斯、美国最为成熟，现在很多在研发中的大推力火箭发动机技术甚至是使用的上世纪的大推力火箭发动机的技术，主要研发目的都侧重于节省成本方面，而新的颠覆性的火箭发动机技术还未出现实用性案例，所以可以认为目前世界上的大推力火箭发动机是处于产业生命周期中的成熟期，目前需要新的突破性的技术革新来开启新的一轮生命周期。

低成本与经济性

火箭发动机成本通常占据火箭总成本的40%以上，因此降低发动机成本对为降低整体发射成本来说至关重要。

想要实现火箭发动机的低成本，技术继承与改进是十分关键的因素。新型号火箭的研制费用一般都很高，研制周期往往也很长。对已有成熟发动机进行技术改进是降低研发和使用成本及提高可靠性有效途径。SpaceX“猎鹰9号”的Merlin发动机就继承于阿波罗登月舱下降段的变推力发动机；美国的AJ-26发动机是基于俄罗斯的NK-33发动机改造的，可靠性相当出色；日本“H-2A”和俄罗斯“安加拉”火箭所用的推进系统等多项技术也都是在现有技术的基础上加以改进来实现的。其中前苏联的火箭发动机技术是被几大航天后起之秀国家借鉴最多的。

简化发动机设计和数量也是降低成本和提高可靠性的主要措施之一。以驱动美国Delta 4火箭的RS-68发动机为例，该型发动机设计初衷就是为了简化设计并节约成本，在设计过程中将成本作为独立的研制因数，最终将成本降至1400万美元，比航天飞机主发动机（SSME）成本降低了将近80%，成为大推力发动机经济性设计的典范。

RS-68火箭发动机构成

日本的LE-7A发动机以简化设计和降低成本为主要目的，重新安排发动机各组件布局并减少零部件的尺寸和数量，采用了新材料和新工艺，简化制造过程，缩短制造周期，降低制造成本。通过尽量使用铸件和机械连接结构使焊接结构减至最少，焊缝数从98条降到8条，提高了制造可靠性，降低了成本。

LE-7A通过大量铸件使用减少焊接结构

另外，通过增加发动机推力，减少一子级发动机数量对于增加发射可靠性、降低发射费用都有非常积极的意义。有传言称SpaceX公司正计划开发新型大推力火箭发动机，以期将其重型运载火箭的一子级发动机数量从27台大幅削减至3台。这将极大地简化设计，增加发射的可靠性。

27台发动机助推的Falcon9 Heavy运载火箭

目前世界各国的运载火箭在设计时都会进行多种型号设计，以适应各种不同的发射任务，所以火箭的模块化设计成为趋势，这样在进行不同型号的设计时可以大大节省成本，因为可以直接利用现有的模块进行组装，当然对于发动机也是一样，只要进行一次基础型的设计，在之后可以根据火箭的型号不同来组成不同的发动机组来实现推力的要求。但是发动机组的发动机数量越多意味着结构越复杂，协调难度越大，所以研发单个大推力的火箭发动机依然非常必要。

环保性设计

俄罗斯目前在开发新型火箭安加拉重型运载火箭，以求更替目前使用有毒燃料的火箭，未来，液氧或者煤油燃料的发动机会完全取代现在的剧毒燃料。与常规发动机相比，液氧煤油发动机具备诸多优点：一是推力大；二是没有污染，相比于偏二甲肼和四氧化二氮，液氧和煤油都是环保燃料，而且易于存贮和运输；三是经济，比常规发动机推进剂便宜60%；四是可靠性高；五是可重复使用。

我国在新一代运载火箭研制中，掌握了120吨高压补燃液氧煤油发动机技术，使得运载能力得到大幅提升。印度2006年获得乌克兰技术转让，开始设计研制200吨级高压补燃液氧煤油发动机RD-810。

各航天大国多年来一直考虑在未来可重复使用技术中引入低成本且更易维护的甲烷发动机。2014年9月，ULA选定Blue Origin公司的BE-4发动机作为未来主力运载火箭——“火神”火箭的主发动机。BE-4发动机将用甲烷作为推进剂，这是美国制造的火箭发动机中首次采用这种推进剂。2016年9月，俄罗斯也宣布重新开展80吨可重复使用甲烷发动机的研制。

2017年10月，Blue Origin对BE-4发动机进行首次热点火测试

可重复使用

除燃料之外，对于火箭发动机机体各国也在开发可回收甚至可重复使用的火箭发动机，火箭在完成其运载任务后，发动机和其他电气部件会自动返回地面，而不是遗留在太空中成为太空垃圾。

实现重复使用，大幅度降低成本，是航天运载技术发展的重要方向，各国开展了多个型号重复使用发动机的研制。美国航天飞机SSME发动机是人类最早实现重复使用的火箭发动机，采用液氧液氢推进剂、补燃循环，此外美国还开展了RS-2200液氧液氢气动塞式喷管发动机、RS-2100液氧液氢全流量补燃循环发动机研制，进行了RS-84、RS-76和TR-107液氧煤油补燃循环发动机、RS-83和COBRA液氧液氢补燃循环发动机研究。

RS-2200补燃循环发动机

目前，美国SpaceX公司正在验证Merlin1D液氧煤油发动机的重复使用能力，并进行Raptor液氧甲烷发动机研制；美国蓝源公司正在研制BE-4液氧甲烷富氧补燃循环发动机，计划2019年用于火神运载火箭，通过直升机空中回收，实现发动机的重复使用。这么做将可大幅压低ULA发射成本，将每次发射的成本从逾2亿美元降至平均1亿美元。

俄罗斯（前苏联）在重复使用火箭发动机领域也进行了大量工作，上世纪六十年代研制的NK-33液氧煤油补燃循环发动机具有较长的工作寿命，1996年被美国航空喷气公司购买，曾计划用于K-1重复使用火箭。上世纪八十年代，苏联研制成功RD-170液氧煤油发动机和RD-0120液氧液氢发动机，按重复使用设计。苏联能源机械联合体以RD-170发动机为基础，开展了RD-701可重复使用三组元发动机研究。2000年后，俄罗斯赫鲁尼切夫国家科研生产中心以RD-191液氧煤油补燃循环发动机为动力，提出贝加尔号可重复使用火箭助推级方案。

2004年开始，欧洲开展了VEDA液氢液氧补燃循环发动机研究，用于新一代两级完全重复使用运载器。同时，提出VOLGA等重复使用液氧甲烷发动机方案，并开展了多项关键技术研究。

2011年，我国运载火箭技术研究院研发中心基于成熟的飞船返回方式，开展采用“降落伞 + 气囊”的火箭子级回收方式研究。2015年完成的热气球投放试验只是一个缩比试验，但已验证了使用大型群伞的技术能力。对于垂直返回的方案，研发中心也已完成了系统的方案论证和相应的仿真研究。

根据技术发展情况分析，可重复使用液体火箭发动机的技术发展趋势是：使用次数15次至100次，推进剂主要为液氧煤油或液氧甲烷，循环方式主要为补燃循环，发动机推力需要根据具体任务采用多台中小推力发动机组合或1-2台大推力发动机。相比一次性使用运载火箭，重复使用运载器对动力系统提出更高的要求，需要实现数十次至上百次的重复使用、具备故障诊断、快速检测与维护等功能；对于垂直着陆的方案，发动机还需要满足二次或多次起动、大范围推力调节等要求。这些要求带来了发动机设计状态的变化和新的关键技术，在较大程度上影响着重复使用发动机乃至运载器技术方案的优化选择甚至技术可行性。

中国大推力固体火箭发动机发展趋势

中国大推力固体助推发动机技术基础逐步壮大，研保条件不断提升，发展时机已经成熟。中国固体火箭发动机经过多年的发展与建设，已经形成不同系列固体发动机的设计、研制、生产、测试的能力。

在研制能力方面，国内目前已经具备直径2.25m、百吨级装药量以内的大型固体发动机研制、生产和试验能力。在此基础上结合后续研制条件建设，在“十二五”末，大型固体火箭发动机研制能力将提升至500t级推力水平。充分发挥固体发动机技术继承性高的优点，在现有条件基础上发展千吨级推力大型固体助推器，不存在重大技术瓶颈，研制过程中面临的主要难点是大型固体发动机的研制保障条件建设，但国内具备相关生产基础。

中国的大推力火箭发动机技术如今已经取得了巨大的突破，但是就目前的成果来说相比国外的顶尖水平发动机，差距依然非常巨大。

在1990年后，中国有限的航天资金，主要集中在载人航天（神州和天宫系列）上。因此液体火箭长发动机时间以四氧化二氮/偏二甲肼燃料为主力，发动机最大地面推力在70吨左右徘徊。氢氧机连大型液氢温区制冷装置都搞不定，煤油机数十年没出过新型火箭正式型号。因此不要说是比美俄两国，就是比日、欧的100吨级产品，也已经有很大差距。

虽然我国在新一代运载火箭研制中，掌握了120吨高压补燃液氧煤油发动机技术，使得运载能力得到大幅提升。但就是2016年新箭首发成功，真空推力130吨的煤油机YF-100与近半个世纪前美国690吨的F1、近30年前苏联800吨RD170相比依然有遥远差距；真空推力70吨的氢氧机YF-77与14年前美方真空推力344吨的RS-68相比也是差距巨大。

YF-100液氧煤油发动机

因此我国要继续推进大推力火箭发动机的研发，目前首先要完成200吨级液氧液氢发动机的研发，和500吨级的液氧煤油发动机的研发。并且不仅要在技术上提高，在需求和成本层面也要有所考量，比如发展可重复使用的火箭发动机等。

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