近日，民營(yíng)火箭公司藍(lán)箭航天宣布，該公司研發(fā)的“天鵲”80 噸液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車。據(jù)介紹，截至 5 月 17 日，“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)在一周時(shí)間內(nèi)共進(jìn)行了 4 次試車，其中最長(zhǎng)試車時(shí)間為 20 秒，過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)關(guān)機(jī)平穩(wěn)，各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
此次試車成功是中國(guó)民營(yíng)航天企業(yè)在這一級(jí)別的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)“零的突破”，這也讓藍(lán)箭成為國(guó)內(nèi)首家完成液體火箭整機(jī)試車的民營(yíng)企業(yè)。藍(lán)箭航天表示，此次試車成功正式宣告中國(guó)民營(yíng)企業(yè)首次掌握百噸級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的全部關(guān)鍵技術(shù)。
“天鵲”的研制工作最早開始于 2017 年，目前，這款發(fā)動(dòng)機(jī)還處于少量生產(chǎn)的階段，藍(lán)箭計(jì)劃在下半年開始在其位于湖州的工廠進(jìn)行批量生產(chǎn)。未來(lái)，將基于此款發(fā)動(dòng)機(jī)完成“朱雀二號(hào)”運(yùn)載火箭研制。
“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)負(fù)責(zé)人祖誠(chéng)告訴 DeepTech，在這階段試車結(jié)束后，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆分檢查，接下來(lái)還要開展發(fā)動(dòng)機(jī)的全程試車、邊界條件試車、搖擺試車等工作，最終累計(jì)無(wú)故障試車時(shí)間要超過(guò) 1.5 萬(wàn)秒，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性指標(biāo)滿足火箭總體的需求。
藍(lán)箭計(jì)劃在 2020 年上半年完成上述的試車工作，并在 2020 年下半年完成“朱雀二號(hào)”液體火箭的首次飛行。據(jù)了解，“朱雀二號(hào)”的一級(jí)火箭將搭載 4 臺(tái)“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)，低軌運(yùn)載能力在 4-5 噸之間，未來(lái)主要面向低軌衛(wèi)星發(fā)射需求。
液氧甲烷推進(jìn)劑的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
“天鵲”液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)是藍(lán)箭在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的第一款產(chǎn)品。
在此之前，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒有公開明確的型號(hào)產(chǎn)品。在中國(guó)航天的歷史上，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)早在 20 世紀(jì) 60 年代就被提出，后來(lái)也被驗(yàn)證為一條可行的技術(shù)路線，但在多種因素影響下，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)一直未能作為一個(gè)正式型號(hào)登上中國(guó)航天的舞臺(tái)。
液氧甲烷推進(jìn)劑的優(yōu)勢(shì)在于，液態(tài)甲烷具備成本低、較易貯存、無(wú)毒無(wú)污染、維護(hù)方便的特點(diǎn)。而作為低溫推進(jìn)劑的液態(tài)甲烷，其黏度低(為煤油的 1/3)、結(jié)焦和積碳現(xiàn)象少等優(yōu)點(diǎn)明顯。
如果僅從應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，液氧甲烷密度較小、飽和蒸汽壓高，這就導(dǎo)致了密度比沖偏小且燃料泵的抗汽蝕性能不易保證等固有缺點(diǎn)。但對(duì)于按照商業(yè)化思路來(lái)經(jīng)營(yíng)的民營(yíng)公司來(lái)說(shuō)，最重視的還是性價(jià)比，這個(gè)時(shí)候，甲烷的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。
更重要的是，不易結(jié)焦的特性使得以液氧甲烷為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)同樣具有優(yōu)秀的重復(fù)使用潛力，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)具備幾十次甚至上百次的使用壽命。因此，出于對(duì)推進(jìn)能力、成本、復(fù)用性等方面的綜合考慮，液氧甲烷成為多數(shù)民營(yíng)火箭公司在研制液體運(yùn)載火箭時(shí)的常見選擇。
SpaceX 正在研發(fā)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)猛禽、藍(lán)色起源的 BE-4 發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑上都選擇了液氧甲烷，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)均已進(jìn)行了完整發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試車，推力均在 200 噸以上。而“天鵲”則僅次于二者，成為世界第三型大推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖|“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)(來(lái)源：藍(lán)箭航天)
此外，藍(lán)箭航天 CEO 張昌武在采訪中表示，民營(yíng)企業(yè)在固體火箭發(fā)射市場(chǎng)將會(huì)變得非常艱難。
在他看來(lái)，固體運(yùn)載火箭作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)輸系統(tǒng)，當(dāng)直徑達(dá)到 3 米之后，火箭在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)指標(biāo)上就會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，如果將其繼續(xù)做大，固體火箭的性價(jià)比將會(huì)大幅下降。
直徑低于 3 米、運(yùn)力低于 1 噸的固體火箭在發(fā)射市場(chǎng)中有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于民營(yíng)火箭企業(yè)來(lái)說(shuō)在這一細(xì)分市場(chǎng)面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。”中國(guó)航天現(xiàn)有的很多成熟固體火箭型號(hào)都在可靠性，成本上具備極大優(yōu)勢(shì)，民企涉足這一領(lǐng)域需要有更多獨(dú)特賣點(diǎn)。“張昌武說(shuō)道。
因此藍(lán)箭認(rèn)為，對(duì)民營(yíng)火箭公司來(lái)說(shuō)，只有中型以上的液體火箭才能在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)生存并盈利。
盡管如此，藍(lán)箭在固體火箭方面也有過(guò)嘗試，2018 年 10 月，藍(lán)箭發(fā)射了“朱雀一號(hào)”運(yùn)載火箭作為入軌發(fā)射的首次嘗試，但最終未實(shí)現(xiàn)入軌，“朱雀一號(hào)”便是一枚固體運(yùn)載火箭。
對(duì)此，張昌武表示，強(qiáng)調(diào)液體火箭市場(chǎng)也不代表完全放棄固體火箭，藍(lán)箭已經(jīng)具備了完整的固體火箭的保障能力，未來(lái)將會(huì)與合作伙伴聯(lián)合推動(dòng)固體火箭型號(hào)的后續(xù)任務(wù)，更多輸出火箭的設(shè)計(jì)能力，但不承擔(dān)后續(xù)的生產(chǎn)和總裝環(huán)節(jié)。
逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用
可重復(fù)使用火箭已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是能夠大幅降低發(fā)射成本的技術(shù)路線，在藍(lán)箭的未來(lái)發(fā)展目標(biāo)中，可重復(fù)使用是一個(gè)重要目標(biāo)，但這是需要分階段實(shí)現(xiàn)的。
張昌武在采訪中坦言，中國(guó)民營(yíng)火箭企業(yè)在可回收火箭領(lǐng)域的技術(shù)積累還是比較薄弱的，尤其是和美國(guó)相比，在他看來(lái)，中國(guó)的火箭整體回收在 5 年內(nèi)是難以實(shí)現(xiàn)的。而這還只是一個(gè)比較保守的判斷，不排除未來(lái) 7、8 年也未能改變這個(gè)現(xiàn)狀。
藍(lán)箭表示，“朱雀二號(hào)”的一型火箭將是一個(gè)不可重復(fù)使用的火箭。對(duì)藍(lán)箭來(lái)說(shuō)，短期目標(biāo)是先實(shí)現(xiàn)不可重復(fù)火箭的穩(wěn)定飛行，在這個(gè)過(guò)程中將火箭的設(shè)計(jì)、工藝以及總裝測(cè)試等整個(gè)配套先穩(wěn)固下來(lái)，再繼續(xù)完成可重復(fù)使用的目標(biāo)。
雖然重復(fù)發(fā)射不是藍(lán)箭的短期目標(biāo)，但“天鵲”發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)層面已經(jīng)考慮到了發(fā)動(dòng)機(jī)在可重復(fù)使用方面的技術(shù)需求。
張昌武告訴 DeepTech，目前這款發(fā)動(dòng)機(jī)具備了多次啟動(dòng)，以及在推進(jìn)過(guò)程中的可變推力的指標(biāo)上是可行的，但這也僅僅是硬件層面的一個(gè)基礎(chǔ)能力。可重復(fù)，未來(lái)還需要在制導(dǎo)/導(dǎo)航與控制技術(shù)上有重大的突破，以及在重復(fù)的飛行中驗(yàn)證火箭的可靠性，才能最終在市場(chǎng)上真正提供可重復(fù)火箭發(fā)射服務(wù)。因此這是一個(gè)需要一步一步實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。
如果一切順利，藍(lán)箭計(jì)劃約在 2023 年開始驗(yàn)證火箭的可重復(fù)使用能力，先對(duì)一級(jí)火箭進(jìn)行回收，再最終實(shí)現(xiàn)全箭回收。
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