2021~2028，中国下一代液体火箭发动机研制进入“八年九机”节奏

来源：中国航天报

一枚新型火箭在总体设计方案出炉前，它的“心脏”——发动机已率先定型。火箭运力很大程度由发动机决定，这直接关乎探索太空的舞台空间。就在长征五号、六号、七号等新一代运载火箭驰骋太空时，我国下一代火箭的轮廓也随着一份“八年九机”计划的公开被勾勒出来。

为适应航天强国建设需求，中国航天科技集团有限公司六院公布：从2021年到2028年，研制以500吨级液氧煤油发动机和百吨级补燃循环液氧液氢发动机为代表的9型泵压式液体火箭发动机，支撑载人登月、深空探测、天地往返重复使用运输系统等重大航天任务实施。随着研制工作的不断推进，这份液体动力研制计划中的新型号发动机研制数量也在不断调整和充实。

【资料图】

4月2日，“九机”之一的85吨级开式循环液氧煤油发动机迎来飞行首秀，助推天龙二号火箭首飞成功，成为“八年九机”中首款成功投入工程应用的发动机。过去中国航天研制一型火箭发动机要“十年磨一剑”，现在要实现“八年九机”，无论设计方还是制造方都把加速“动力”拉满了。

天龙二号火箭首飞成功

瞄准8年后的国际先进水平来设计

最近，六院院长王万军给11所的发动机设计师布置了一道题：调研2028年国际最先进的火箭发动机是什么水平，要对标世界航天强国，确保达到同一水平或局部领先。

在“八年九机”计划中，液氧甲烷发动机属于新面孔。

80吨液氧甲烷发动机首台整机热试车

“其实我们从2000年就开始研制液氧甲烷发动机，当时在‘863’计划的支持下，已经把发动机组件的关键技术试验验证做完了，并不是现在才开始追赶马斯克的‘猛禽’。”11所大推力发动机总体研究室副主任张晓光说。

火箭发动机行业有个特点，因为研制周期较长，如果等拿到明确的火箭需求再开始研制，往往造出来后技术性能就落伍了。所以只要有工程应用前景，发动机就会先上马。现役120吨液氧煤油发动机就是个例子，上世纪90年代开始关键技术攻关，到2000年左右才有比较明确的用途，首飞已是2015年。

9型发动机中，有3型设计任务落到11所大推力发动机总体研究室。据张晓光介绍，200吨液氧甲烷发动机将应用于我国重型火箭的芯一级和二级上，综合性能指标与“猛禽”发动机相当。该型发动机的推进剂储备丰富、价格低廉，在商业航天色彩越来越浓的当下，恰逢其时。

此外，9型发动机中有一款重复使用发动机按照低成本、多次重复使用目标设计，达到国际先进水平。张晓光解释，发动机为了满足重复使用要求，往往会牺牲一些性能指标，但这款发动机不会这样。过去研制出120吨液氧煤油发动机解决了无毒无污染环保发动机的有无问题，现在这些新发动机都是奔着建成航天强国的目标去设计的。

数字世界多轮迭代，物理世界一次成功

这些新发动机的性能大幅提升，研制周期如何缩短到8年内？11所设计师们的做法是“精细，精细，还是精细”。

中国最大推力液体火箭发动机首次整机试车圆满成功

首先是要精细识别载荷和环境。发动机承受的压力、高温、冲击振动等数据是多少，噪声和电磁干扰有多大，在地面试车时是多少、飞行时又是多少……如今面对苛刻的指标要求，设计师借助基于高速图像的位移测量手段、基于高速光纤的动态应变测量手段等，对发动机结构在复杂工况环境下的表现一目了然，再把推演出的数据注入仿真模型。

准确识别之后便是精细的设计仿真。以发动机结构设计为例，张晓光表示，过去以稳态环境下的静强度设计为主，通过增加冗余提高安全系数来应对复杂热力环境。现在有新的仿真手段、充沛的计算资源，能把方方面面的因素纳入到动态环境下去考量，确保仿真演示无限接近真实。

最后是精细的测试验证。相比于过去测出一些主要数据指标就“够用了”，现在测出的数据种类更多、更准。11所在做试验测试的同时，也同步修正迭代仿真模型，如此一来，实物验证次数大大减少，省钱省时间，还能保证高性能指标。设计师们表示，现在航天产品的商业化属性强了，火箭发动机都是批量化生产，所以在设计过程中一定要考虑到“多快好省”，而不是只为完成一次任务。

用数字化手段把设计全流程都走通，才能在实战中“第一次就把事情做对”。在这其中，11所的液体火箭发动机国家级重点实验室也功不可没。要实现重复使用，就要先知道一台发动机到底能试几次车。实验室设有力学与环境、热过程、设计仿真、可靠性等专业，主要从事基础理论研究，为设计师们提供了非常专业的帮助。可见，在“八年九机”计划中，基础研究和型号研制是相辅相成的。

这些发动机是怎么造出来的

在数字化转型发展路上齐头并进的还有发动机制造。去年，六院西发公司的新一代大推力环保液体火箭发动机总装脉动生产线开工，生产效率比过去提高了30%。3月27日，该公司第二条总装脉动生产线正式投产应用。

第二条总装脉动生产线正式投产应用

西发公司工艺处副处长高斌回忆，以前是“固定工位、集中装配”，一组工人在一个工位上完成液氧煤油发动机全部装配工序，大型组合件的对接、运送还要通过吊车完成。现在应用了脉动装配理念，发动机“动”起来——装配全流程被细分为多个工序工位，装配工人在工位上相对固定，完成操作后，运输车将发动机转运至下一工位。高精度机械臂开始替代人手抓取零件，质量数据实现自动获取并输出报告。

“面对‘八年九机’计划剧增的生产任务，不用一味去扩充厂房面积和工人数量也能大幅提升效率。”高斌介绍，两条脉动生产线的建成，使液氧煤油发动机的年产能大幅提升。

有大开大合，也有妙到毫巅。每台发动机上有几十种尺寸形状各异的导管，原来需要装配工人反复在发动机上进行比试，反复锉修打磨，费时费力。现在数字孪生技术登场，通过激光测量采集各导管接口的实测数据，在三维模型上进行虚拟装配，并据此进行导管定制化加工。数字化手段还应用在产品检测上，让肉眼不易分辨的微小缺陷无处遁形。

西发公司信息中心主任梁栋表示，要让生产线动起来，必须有“神经中枢”进行指挥。现在生产人员可以通过操作信息化系统，指挥AGV小车从立体库进出，将3000多项零件按需、准时、定量配送至各工位。

3D打印技术也在这里大显身手。走进西发公司增材制造创新中心，百台先进3D打印设备悉数通电启动，一道道激光射出，在金属粉末上精雕细琢，发动机关键构件加工难度大、合格率低的难题迎刃而解。

增材制造中心近百台设备就位

西发公司早在2014年就开展金属增材制造技术研究。2016年首飞的长征五号火箭上有3种发动机部件由3D打印而成，开航天型号飞行应用先河。

相比传统制造模式，液体火箭发动机关键零组件通过3D打印成型，可以让产品生产周期缩短40%，成本降低20%~30%，合格率和可靠性显著提升。西发公司增材制造创新中心副主任工艺师王云介绍，“八年九机”中有一型发动机38%重量的构件由3D打印而成，产品合格率超过98%。他们现在的目标是一年高质量打印上万件产品，全面进入“八年九机”节奏。