模拟真實發射全過程，實作了可回收發動機試車的關鍵裡程碑。 雷遞網 樂天 8月30日
2023年8月深藍航天液體運載火箭“星雲-1”配套的液氧煤油發動機“雷霆-R1”，取得了全飛行時序三次起動整機試車的圓滿成功。該次試車全面覆寫了“星雲-1”運載火箭入軌+一子級回收的全飛行剖面。
本次試車中，“雷霆-R1”發動機在地面試車台上，按照“星雲-1”回收複用運載火箭一子級設定的飛行彈道，進行了完整過程的點火。
視訊加載中...
“星雲-1”回收火箭的飛行彈道，相比于2023年4月19日SpaceX公司發射獵鷹九号某典型任務剖面，時間上是基本相似的，細微差别在于起飛點火工作時間更長（180s VS 150s）、再入點火工作時間稍長（30s VS 24s）。這一試驗的成功，标志着“雷霆-R1”發動機已經初步具備了完成運載火箭一子級回收飛行任務的能力，是回收火箭研制中的關鍵性裡程碑。
液體發動機三次起動與運載火箭回收
垂直回收運載火箭至少需要經曆地面點火起飛-高空反推減速-着陸段反推減速三個點火起動過程，才能使火箭按既定彈道回收着陸。是以發動機的三次以上起動能力是垂直回收運載火箭的必備能力：
1)第一個時段是上升階段，需要起動發動機起動提供動力，克服地球引力。這一段與傳統的一次性運載火箭大緻相同。
2)第二個時間段是一子級垂直回收再入過程中，進入稠密大氣層之前的反推減速。其目的是通過發動機的反推力，減小再入稠密大氣的速度，避免火箭結構過熱或燒毀。
3)第三個時間段，是一子級着陸過程的反推減速，需要在着陸時刻将火箭的速度恰好減到接近0，實作軟着陸。
是以要實作一枚火箭發射入軌，并且垂直回收，發動機需要具備可以實作三次以上的多次起動能力。
多次起動，相對以往一次性工作的火箭發動機而言，指液體火箭發動機在執行一次飛行任務過程中，液體發動機能夠在無人幹預情況下實作兩次及以上的點火起動能力。可以垂直回收并重複使用的商業化運載火箭對發動機的起動能力提出了更高的要求，不僅需要發動機具備3次以上的起動次數，并且在火箭的飛行過程中，按照預定或線上計算的參數，發動機必須在既定的時間點精确點燃并起動工作，不容有失。否則，火箭回收大機率會失敗。這一要求給發動機的設計、制造、起動時序設計等帶來了很大的挑戰。
多次起動是液體火箭動力系統實作回收複用的難點；而動力系統回收複用是實作航天運載器回收複用所必須突破的關鍵技術。
液體火箭發動機多次起動的技術難點
“雷霆-R1”是深藍航天首款運載火箭“星雲-1”的主動力發動機，采用了液氧煤油推進劑組合，具有推力平滑調節、結構簡單可靠、無毒無污染、低成本等優點。該發動機從設計之初，部元件方案及總體布局就按照可回收并重複使用多次起動的要求進行設計。
液體火箭發動機多次起動是一項具有很高難度、綜合性很強的發動機系統技術，包含了一系列關鍵技術點，隻有包括中國在内的少數國家能夠掌握。“雷霆-R1”發動機全飛行時序三次起動整機試車，标志着在回收複用的液體發動機方面，具有完全自主知識産權的多項關鍵技術從原理和設計走向産品應用。
1.多次起動系統設計
多次起動發動機工作過程和時序控制，與一次性使用發動機有顯著差別
液體發動機第一次工作之前，各個液體閥門還沒有打開工作、推進劑沒有灌注，發動機内部處于“幹”狀态；發動機第一次工作後，管路和各元件中留有殘存的推進劑，可能給管路、冷卻夾套與噴嘴的工作狀态帶來影響，影響發動機的點火和正常工作。為避開這個問題，要在第一次起動工作後，對發動機設計合理的自動吹除時序，把殘存推進劑清除幹淨。
對于液氧煤油推進劑的低溫火箭發動機，除第一次工作結束後要進行吹除外，第二次起動前還要先吹除和預冷。是以，為了精确達到飛行時序對發動機起動時間的要求，對于預冷、吹除流程及時間的控制，需要精确進行設計，并進行大量的驗證工作。
深藍航天本輪開展的發動機長、短程三次起動試車，全面考核了發動機多次起動過程設計的正确性，全面驗證了發動機多次起動的工作時序。下一步還将對時序拉偏進行進一步考核，以增加發動機工作的裕度和魯棒性。
多次起動需要對發動機進行更複雜的狀态控制
多次起動工況下，由于發動機尚有前一次點火工作的影響，部分元件的初始溫度會發生變化，點火延遲期間和點火能量也會變化。例如發動機的渦輪泵、推力室部分在第一次起動前基本為常溫，但第二次起動時由于上一次工作的影響會存在較高的溫度，需要解決渦輪熱起動、推力室熱反浸帶來的影響問題。
是以，發動機多次起動需要對發動機的狀态進行更多的控制，包括預冷和熱控、起動條件保障和起動過程控制等。通過針對多次起動特殊設計的控制手段，可實作再入傳回、着陸點火過程高效的氧系統預冷、發動機内腔吹除等，保障再次點火前發動機狀态滿足點火條件。
除了系統工作過程和時序的控制之外，發動機的所有元件都必須按照多次起動和重複使用的要求來進行設計
例如發動機上所有閥門均可多次重複工作，不能采用一次使用發動機常用的電爆閥、破裂膜片控制元件等；渦輪泵的動密封元件等也必須考慮多次起動的要求，并能夠承受短時多次起動帶來的載荷沖擊和熱沖擊等。
深藍航天本輪多次起動試驗，考核了發動機在模拟真實飛行狀态下的功能、性能，全面驗證了發動機各元件對多次起動工況的适應性；擷取了發動機多次起動間的狀态資料，為飛行試驗提供資料支撐。下一步還将繼續進行更多的可靠性考核，確定發動機産品的穩定可靠。
面向實際飛行的多次起動設計
液體發動機想要在地面上實作多次起動，可以借助地面試驗台的能力，而不用考慮體積、重量等限制。例如起動用的起動能源、吹除用氣體等。由于箭上的空間和重量非常有限，不可能為發動機提供過多的氣體資源保障，是以重複使用發動機需要非常精細地設計這些因素，否則就會變得過大、過重而導緻“上天困難”。
“雷霆-R1”發動機起動技術經過二次起動考核後進一步疊代更新，本次試驗所用起動系統完全布置在發動機的總裝機架上，發動機起動、控制和吹除用氣完全由發動機提供，産品狀态與箭上飛行狀态一緻。試驗結果表明，目前“雷霆-R1”發動機的起動系統，可很好地滿足發動機在“星雲-1”火箭上的多次起動使用需求。
2.多次起動點火系統精準設計
實作液體火箭發動機重複使用必須克服多次點火的難題。可靠點火是液氧煤油發動機的一個核心技術難題。傳統火箭隻需要發動機在火箭發射時點火，而可重複使用運載火箭需要發動機在一子級回收過程中多次點火。由于液氧煤油為非自燃推進劑，推力室和瓦斯發生器均需要點火，多次起動的發動機必須建構新的點火系統。
液體發動機點火是在燃燒室内部完成的，但點火裝置卻需要布置在燃燒室的外部。。為導入點火能量，對燃燒室設計接口需謹慎、周全。發動機燃燒室工作将産生巨大振動、3600多度的高溫、近100倍大氣壓的壓力，這些振動和高溫條件對連接配接和結構件設計都有很高的要求，是以點火裝置必須牢固且不能破壞燃燒室的結構強度及冷卻設計，更不能在燃燒過程中因為該接口的存在，導緻高溫高壓瓦斯洩漏并發生損壞。
一次性使用發動機使用的點火裝置不需要耐受上述環境，而多次起動發動機的點火裝置在第一次點火之後，需要承受上述環境若幹次後，仍須保證裝置壽命周期内百分之百的可靠。這就給點火系統的設計帶來了全新的挑戰。
為保障再次點火工作的可靠性，“雷霆-R1”發動機配置了非火工品的多次點火裝置，該點火裝置的能力不受限制、可以實作幾乎無限次的點火能力。後續可根據運載火箭功能需要，具備進一步增加備援點火功能，滿足可靠精準點火的需求。
3.多次起動的初始能源
開式液氧煤油發動機的起動一般需要借助外部能源，才能将發動機起動起來。一次性使用的開式循環發動機，目前國内的主流途徑大都采用火藥起動器。其原理是在發動機起動時先用電起爆器點燃一個“小固體火箭發動機”，其火藥柱燃燒産生高溫高壓的瓦斯，推動液體發動機的渦輪旋轉到預定工況，進而起動發動機。這種“小固體火箭發動機”被稱為火藥起動器。
但是，多次起動的發動機若采用這種方式，便需要配備多個火藥起動器裝置，會造成1）結構設計上難以布置；2）首次點火後用于二次起動的火藥起動器出口要隔絕發生器内高溫高壓瓦斯；3）火藥起動器價格昂貴，因為屬于火工品，生産管理貯存要求又極其特殊嚴格。是以用傳統的火藥起動器提供多次起動的能源，難以實作真正的商業應用，既不經濟技術上也存在風險。
是以，必須面向重複使用的需求，開發新的起動模式；既能夠達到可靠起動的目的，又能夠滿足上天飛行的經濟性、便捷性的要求。
為滿足多次起動的要求，“雷霆-R1”采用了高壓氣瓶助力+自身起動的起動方式，使得起動裝置即具有自身起動結構簡單的優點，又通過一定的外部能源助力大大縮短了發動機起動時間。深藍航天通過數十次發動機起動試驗，優化了發動機的起動過程，大幅提升了起動過程的一緻性和可靠性、縮短了起動的時間。目前，發動機點火起動時間（達到穩态推力90%時間）僅為2秒左右，并且起動重複性、一緻性良好。
4.回收火箭結構布局緊湊
對于回收火箭，發動機艙一般布置多台發動機，發動機的裝填密度很大，結構緊湊簡單也是一項非常重要的名額，否則無法滿足火箭的使用要求。
“雷霆-R1”改進狀态的發動機采用了泵後擺方案，使發動機在飛行過程中僅搖擺推力室部分就可實作推力矢量調節，相比傳統發動機整體搖擺方案，搖擺力矩大幅減小、提高了發動機搖擺一階頻率，進一步提高了發動機搖擺工作可靠性。
同時，相比同類型的開式發動機，泵後擺發動機結構布局更為緊湊、簡潔，同時通過優化布局多次起動元件，使發動機結構緊湊、包絡尺寸減小，可實作在3.35米箭徑内布局9台發動機，提高火箭在給定箭體直徑内可以産生推力，為重複使用技術應用提供了重要的結構基礎。
5.滿足可重複使用要求的液發增材制造
液體火箭發動機工作在高溫、高壓、大振動的惡劣環境，傳統發動機均按一次性使用設計。“雷霆-R1”發動機提出了重複使用20次以上的目标，部元件及結構布局方案均按重複使用需求開展設計。
在制造技術上，發動機的主要元件采用了全3D列印增材制造。是以，“雷霆-R1”也成為了國内首個經曆火箭垂直回收全彈道剖面地面考核的3D列印發動機。在本輪試車過程中，發動機經過10次以上的發動機不下台熱試車、幾十次起動/關機測試和點火試驗，初步證明了3D列印工藝能夠滿足可重複使用的需求。單台發動機累計不下台點火次數達到10次，累計時長已達到1000多秒。
除滿足多次起動和重複使用的功能性要求，通過地面熱試車驗證，也考核了發動機結構件及制造技術方面可以滿足重複使用的要求；達到液體發動機不僅“能試”，更要“皮實、耐用”的效果。
2022年，美國相對論空間公司的“人族”火箭，采用了全增材制造技術進行制造，并進行了嘗試入軌飛行；該項目将增材制造在Aeon發動機中應用的成熟度提高到了新的高度，證明了該工藝在航天飛行産品上的适用性。在國内，以深藍航天“雷霆-R1”發動機為代表的新發動機産品，在3D列印新工藝用于液體發動機制造方面做了開拓性工作。下一步，還需要經曆真實火箭任務，進行上天飛行驗證。
小結
液體火箭通過垂直回收的方式實作重複使用，顯著降低了發射成本、具有較廣闊的應用前景；而目前制約大陸垂直回收火箭發展的關鍵瓶頸就在液體火箭發動機是否能夠滿足垂直回收的使用要求。液體火箭發動機作為航天運載器的主要動力裝置，具有性能高、任務适應強、技術難度大等特點，堪稱航天運載器上最複雜的産品之一。
深藍航天持續多年在可重複使用液氧煤油火箭發動機的研發、制造和測試領域不斷積累、創新、實踐，取得了諸多成績。
此次試車成功，标志着“雷霆-R1”發動機向着“可回收及重複使用”目标又邁出了堅實的一步。為即将進行的“星雲-1”運載火箭一子級高空垂直回收飛行試驗和入軌首飛+回收奠定了堅實的動力基礎。
背景資料：液體火箭發動機的點火和起動
垂直回收的可重複使用運載火箭在飛行中一般重新點火起動2～3次，這就要求發動機具備多次起動能力。
液體火箭發動機多次起動技術是一系列子技術的總和，也是火箭發動機可重複使用的關鍵技術，其中主要的兩個方面包括發動機的起動能源和點火。
圖1 火箭回收過程示意圖
發動機的起動能源
發動機起動方式一般分為“外部能源起動”和“自身起動”兩種方式。
1、外部能源起動
外部能源起動，顧名思義，指的是發動機需要借助外部力量進行起動；一般采用瓦斯發生器循環的發動機常使用外部能源起動。舉個例子，這與早期的柴油内燃機、汽油内燃機的起動采取人力手搖原理是一樣的，即發動機起動需要借助外力進入工作循環，活塞内燃機随着曲軸的轉動進入吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，對于火箭發動機需要借助外力使得渦輪泵轉軸達到一定轉速。類似早期手搖式拖拉機的工作方式。
圖2 早期汽車手搖把
圖3 拖拉機手搖把
對于小型内燃機這樣的熱力機械，可以依靠人力實作起動（随着科技進步，現在内燃機大都配備電動起動機，無需手搖了），而液體火箭發動機這樣能量密度巨大的熱力機械，無論如何是不可能靠人力完成的，那麼和汽車一樣使用電動起動機呢？基本也不靠譜，這是因為液體火箭發動機的起動功率太大，需要配備很大的電機和電池，并且造成結構設計非常複雜，根本不可能在火箭上使用。
實際上，傳統液體火箭發動機的起動外能源一直借助于火藥起動器、高壓氣瓶等特種裝置。火藥起動器是由火藥柱、殼體、點火裝置組成的，發動機起動時火藥柱燃燒産生的高能瓦斯驅動渦輪轉動，使發動機起動。若采用火藥起動器，當發動機需要多次起動時，便需要配備多個火藥起動器，這常常造成結構設計上的不便，并且火藥起動器價格昂貴，生産管理貯存要求又極其特殊嚴格。此外，采用火藥起動器的發動機，一般僅做到能夠2次起動，用火藥起動器實作多次起動的非常少，因為既不經濟也不劃算。
是以，高壓氣瓶起動成為了目前技術趨勢，高壓氣瓶内一般充裝氦氣等媒體，當發動機起動時，高壓氣瓶對渦輪吹氣，強大的氣流使得渦輪泵旋轉，當發動機多次起動時，高壓氣瓶再次對渦輪吹氣，此時工程師在設計時要考慮攜帶充足的高壓氣體，或者針對每次起動有針對性地精細設計時序。
采用火藥起動器起動的典型發動機有歐洲的HM-7發動機、Vulcain火神發動機，采用高壓氣瓶起動的典型的發動機有美國的J-2發動機、梅林1D發動機。
圖4 火神發動機
圖5 美國的J-2發動機
2、自身起動
自身起動，顧名思義是指發動機起動不依靠外來能源而依靠自身能源，這裡的“自身能源”指的是發動機利用火箭貯箱壓頭實作推進劑點火或推進劑吸熱而産生的能量。
膨脹循環發動機的起動方式即為自身起動，低溫燃料在推力室夾套内吸熱汽化對渦輪做功。大推力的補燃循環發動機，也常采用自身起動方式；工程師們對發動機的起動過程精心設計，使得發動機能夠安全可靠地從起動點火過渡至額定工況。
典型的膨脹循環發動機有美國的RL-10、歐洲的Vinci；典型的補燃循環發動機有美國的航天飛機主發動機、俄羅斯的RD-170\180等。較為特殊的是美國用于載人登月的土星5号火箭主發動機F-1，其采用瓦斯發生器循環方式，也采用了自身起動方式。由于不需要額外攜帶能源，經濟上和重量上都比較節省，自身起動更适合于發動機的多次重複起動。但僅僅依靠自身起動的發動機，往往存在發動機起動過程相對時間較長的缺點。
發動機的點火方式
液體發動機的點火是很複雜的，主要原因在于燃料、氧化劑兩種液體必須先經曆輸送、加溫、霧化、混合等一系列流程後，才能被點燃；如果混合比例不正确、霧化不充分、點火不及時，都會導緻點火失敗，甚至引起爆炸。需要多次起動的發動機要具備可重複點火系統，少量的次數可考慮使用藥柱或者點火導管等方式來實施；若需超過3次的點火能力的發動機，宜考慮采用火炬點火、電點火等方式來實作，以減少發動機總裝結構的複雜性，降低系統工作難度。
目前主流的液體火箭發動機點火方式有以下幾種（不包括有毒自燃推進劑發動機）。
1、化學點火劑點火
化學點火劑點火是指使用某種能與燃料或氧化劑自燃的化學劑引燃燃燒室。常用的一種能與液氧接觸即燃燒的是三乙基鋁-三乙基硼（TEA- TEB）混合化學劑，TEA- TEB通常存儲在燃燒室前燃料管路上的點火導管内，用膜片密封。液氧煤油發動機在起動時，在壓力作用下，膜片破裂，TEA- TEB首先進入燃燒室與氧化劑自燃點火，利用TEA- TEB和氧化劑的燃燒熱量使随後進入的主燃料與氧化劑點火燃燒。
這樣的點火方式可以實作單次點火，美國土星5的F-1發動機推力室、蘇聯的RD-170等液氧煤油發動機均采用這種方式點火。發動機若要多次點火起動，則可以将一次性使用的點火導管設計為可多次重複灌裝使用的點火裝置，比如SpaceX公司獵鷹火箭的液氧煤油梅林-1D發動機采用了可靠的TEA-TEB加注控制實作了回收時的多次點火。
圖6 俄羅斯RD-170發動機
2、固體火藥點火
固體火藥點火器由電爆管、引火藥、點火藥盒組成，先用小的電流點燃電爆管、再由電爆管點燃引火藥，最後點燃液體推進劑。點火器可以安裝在推力室噴注器附近。比如歐洲的HM-7發動機、HM60發動機、Vulcain火神發動機均采用固體火藥點火。
當發動機進行多次起動點火時，需要安裝多個固體火藥點火器，這常常帶來結構設計上的不便；同火藥起動器一樣，火藥點火器也有苛刻的安全管理要求，以及高昂的價格。是以，電火花點火和火炬點火逐漸成為商業航天偏愛的方法。
圖7 HM60（Vulcain）發動機火藥起動器和火藥點火器
3、電火花、火炬式電點火器
電火花點火，與汽車發動機的火花塞點火，家用瓦斯爐竈、一次性打火機等點火方式類似，采用電激勵器産生的電火花點燃周圍霧化的推進劑。這種點火方式最初存在的主要缺點是可靠性較低，由于電火花的點火能量低，點火失敗後可能導緻推進劑積累而引起爆炸。對這種方式加以改良後，就出現了更可靠穩定的火炬式電點火器。
圖8 火花塞點火器
火炬式電點火器實際上就是一個微型燃燒室，将少量推進劑導入其中，并用電火花點燃，火炬點火器出口形成一股穩定火焰，保證主燃燒室的推進劑被可靠引燃。采用火炬式電點火器的有美國的J-2發動機、航天飛機主發動機、半人馬座RL-10發動機，俄羅斯的RD-0120發動機，以及日本的LE系列發動機。
圖9 火炬式電點火器
火炬式電點火器非常适用于需要多次起動的發動機，理論上可以實作無限多次點火，且不需要拆裝更換零件。
———————————————
雷遞由媒體人雷建平創辦，若轉載請寫明來源。