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火箭发动机:地面两万秒的意义

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文|反熵

火箭发动机的工作履历,天上按分钟计算,地面却常以万秒累计。

以一台飞行工作200秒的一级发动机为例,完成一次任务不过几分钟,研制过程中却可能累计试车两万秒,足够完成100次同样时长的工作。即便它在地面顺利通过多次试验,真正装上火箭,仍可能暴露此前没有发现的问题。

在中国商业航天,随着越来越多企业公布累计试车超过两万秒的成绩,这个数字渐渐有了不成文门槛的意味,甚至有人将其理解为发动机上天前必须完成的考核。实际上,航天工业没有一条普遍适用的两万秒规定。

长时间试车有其技术依据。可靠性要求越高,往往需要更多试验来提供证明,但累计时长与飞行成功率之间,并不存在简单的换算关系。

对于中国商业火箭而言,问题也就从发动机需要试多久,延伸到这些试验究竟能够验证什么,以及企业需要为可靠性付出多少时间和成本。

01两万秒的来历

两万秒算不上中国航天动力的新纪录。截至2011年9月,航天科技集团六院120吨级液氧煤油发动机累计试车已经超过32000秒。后来,蓝箭航天"天鹊"80吨液氧甲烷发动机在2022年突破两万秒,九州云箭"龙云"发动机于2025年达到这一量级;2026年7月,星河动力"苍穹-50"累计试车达到20088秒。

这些数字有分量,但也要看清"累计"二字。天鹊当时的两万多秒来自37台发动机,单机最长累计3357秒;苍穹-50的数据涉及57台次发动机热试车,单机最长累计2757秒。台次不等于独立样机数量。型号试验时间超过五小时,并不意味着某台发动机连续燃烧了五个多小时。

假设100台发动机各工作200秒,与10台发动机各累计工作2000秒,最后都是两万秒。在试验条件可比的情况下,前者能够提供更多不同样机的数据,后者则更有利于考察单机长期工作后的状态。何况同样累计2000秒,一次烧完和反复起停,对发动机的考验也不一样。

单凭累计秒数无法比较不同型号的成熟度。倘若研制中更换了重要材料、修改了关键结构,原有试验数据还能证明什么,也必须重新评估。

所谓经验,始终附着在具体的设计状态和试验条件上。

02可靠性的代价

发动机能产生多大推力,试车台可以给出实测数据;但要证明它能够在规定任务中可靠工作,难度和代价都高得多。

假设任务可靠度为99%,失效概率就是1%。提高到99.9%,失效概率必须降至0.1%。可靠度只提高0.9个百分点,允许发生故障的概率却降到了原来的十分之一。对高可靠性产品而言,越接近目标,新增的验证证据往往越昂贵。

2022年,《深空探测学报》发表《重复使用液体火箭发动机可靠性评估方法》。研究人员假设发动机上升段工作120秒、返回段工作80秒,在70%置信度和特定寿命分布模型下测算,首次上升段可靠度要求为99.5%时,所比较方案中的最低累计试车时间为3700秒;提高到99.9%,最低时间变成18000秒,接近前者五倍。这里的70%置信度,是统计方法用于评估可靠性下限的置信水平,与发动机实际飞行成功率并非同一概念。

同一篇论文还给出了更有启发性的比较:针对99.9%的可靠度要求,单次试车1250秒的方案需累计30000秒;单次试车2250秒,对应的累计时长为18000秒。这组数字有严格的模型前提,也揭示出一个道理:试验如何安排,会影响最终要付出的验证成本。

现实中的发动机研制同样如此。NASA为新生产的RS-25发动机开展鉴定试验时,使用一台研发用发动机进行了多次热试车。该型发动机实际飞行约需工作500秒,地面单次试车最长达到650秒;测试功率最高达到原有额定功率基准的113%,高于新生产发动机计划采用的111%水平。通过延长工作时间、提高测试功率,NASA试图在地面上提前验证发动机的使用裕度。比起简单增加累计时长,主动验证那些可能决定任务成败的严酷工况更有意义。

仅靠延长试验时间,并不能自动覆盖全部风险。两万秒可以积累大量数据,仍需回答这些数据究竟来自怎样的考核,以及能否代表真实飞行条件。

03火焰中的盲区

地面试车可以制造严酷的温度和压力,却无法在固定试车台上完整重现飞行过程。火箭升空后,随着推进剂消耗,箭体质量与振动特性不断变化,发动机与贮箱、输送管路之间的相互作用,也可能出现新的问题。

1968年,阿波罗6号在一级飞行末段遭遇严重的POGO纵向振动。推进剂供应系统、发动机工作与箭体振动相互耦合,使火箭沿纵向剧烈抖动。NASA随后分析飞行数据,在液氧供应管路相关腔体中引入充氦缓冲措施,并通过地面试验验证。这说明,即使发动机在试车台上表现正常,装进火箭后,也可能因箭体、管路与发动机之间的相互作用,出现新的问题。

而对发动机自身来说,2000秒稳定燃烧,与十次200秒的起停,对阀门、点火系统和承受温度骤变的部件也是两种考验。天兵科技天火十一曾以单机五次、累计超过2000秒的试验考核长程寿命,还专门检验低入口压力启动等工况。试车方案有意识地改变条件,才有机会找到稳定工作时不容易暴露的缺陷。

重复使用让问题进一步延伸到关机以后。发动机经历回收后,损伤如何检测,剩余寿命如何判断,都将决定再次使用的成本。星河动力披露过苍穹-50在校准试车后不分解状态下快速检测维护的进展;但地面快检的经验,仍需要在实际回收之后接受检验。

飞行可能带来地面未曾预见的故障,地面试验又是验证修改措施的主要途径。两者必须不断往复,单靠一个累计时长终点,很难完成可靠性的证明。

04试车台的瓶颈

如果说可靠性决定了一款发动机需要接受多少验证,那么试验设施的效率,就影响着这些验证需要花费多长时间。

发动机点火几百秒,安装、检查、预冷、推进剂加注和试后处置却可能需要几天。进入批量制造后,还要对交付产品进行规定的验收。发动机即使生产出来,排不上试车台,也无法及时进入下一道交付程序。

2025年,航天科技集团六院165所抱龙峪试验区901试车台完成第500次试车。经过自动化和流程改造,其试验周期由5天缩短至2天,发动机转运时间较人工操作缩短50%。变化发生在地面保障环节,却给发动机更快完成验证创造了条件。

比缩短试车周期更复杂的,是故障之后的验证。试车一旦出现问题,此前积累的秒数还能否使用,往往需要重新评估。如果修改了关键设计,却没有针对修改后的状态补充验证,再漂亮的累计纪录也可能缺乏说服力。故障被查明、改进经过验证,企业才有依据判断哪些历史数据可以继续沿用。

中国商业火箭逐渐进入批量生产与可重复使用阶段,试车台的周转能力必须跟上制造节奏,但提速也不能靠删减必要试验。判断一家企业的研制效率,要看它能否在合理的成本和周期内,取得足以支持设计与交付的可靠性证据。

两万秒有技术价值,也确实昂贵。它记录了试验投入,却无法替发动机回答下一次飞行会发生什么。地面试车总有边界,真实飞行也永远是进一步认识发动机的机会。

火箭最终要离开试车台。两万秒的意义,终究要在那几分钟的飞行中兑现。

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