本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：黄浩然（上海空间推进研究所），原文标题：《美国商业航天公司液氧甲烷火箭发动机研制进展》，题图来自：视觉中国
早在20世纪60年代，液氧甲烷火箭发动机的概念就已提出，但在当时并没有得到航天大国的重视，苏联和美国的研究重点分别放在液氧煤油发动机和液氧液氢发动机上，在液氧甲烷发动机方面仅进行了一些技术研究。近年来，可重复使用运载器动力的需求提出后，液氧甲烷火箭发动机因具有无毒环保、高比冲、易于重复使用等综合优势，能够较好地满足低成本火箭发射需求，因而受到各商业航天公司的青睐，在其推动下，液氧甲烷发动机技术突飞猛进，一批成熟度各异的有代表性的型号脱颖而出。
在各国从事液氧甲烷发动机开发的商业航天公司中，美国部分公司由于研发起步较早，技术基础扎实，资本和政策环境友好，项目管理水平高而走在前列，特别值得关注。本文重点介绍近十年来美国商业航天公司液氧甲烷火箭发动机研制进展情况。
一、“猛禽”系列发动机
（一）参数和技术特点
“猛禽”（Raptor）是美国太空探索技术（SpaceX）公司正在研发的液氧甲烷火箭发动机系列，计划作为该公司“星舰”和“超重”助推器的主动力，它是世界首款实用化的全流量分级燃烧火箭发动机。该系列有“猛禽”1（Raptor-1）、“猛禽”2（Raptor-2）和“猛禽”真空版（Raptor vacuum）3个版本，其中“猛禽”1和“猛禽”2作为火箭主级使用，“猛禽”真空版在真空和大气稀薄的火星表面使用，3个型号的具体参数如表1所示。
表1 “猛禽”发动机不同型号的参数指标
图1 “猛禽”1发动机照片
“猛禽”发动机采用温度更低、密度更高的过冷态甲烷和液氧作为推进剂，节省贮箱空间，同时提高了发动机涡轮泵的性能，增加比冲。发动机火炬点火器由双冗余的电火花点火器点燃，避免了火药点火装置的使用，能够实现多次重复点火。发动机还采用同轴涡流喷注器，方便采用3D打印工艺制造，节约成本并加快开发速度。除了喷注器以外，发动机大量其他部件也采用3D打印制造，据报道，2016年试车的缩比发动机中至少有40%的部件是3D打印制造的，包括一些涡轮泵组件。
（二）研制历程
“猛禽”发动机于2009年立项，SpaceX公司最早打算采用液氧液氢推进剂，但考虑到在火星上原位制造推进剂的可能性，2012年最终决定采用液氧甲烷推进剂。2013年10月，SpaceX公司对美国国家航空航天局（NASA）斯坦尼斯航天中心的试验台进行改造，使之支持液态甲烷和气态甲烷发动机试验，并在2014年4月完成了升级，随后进行了“猛禽”发动机喷注器试验。2015年4-8月，全尺寸的氧预燃室共完成76次热试，总试验时间达400s。
2016年1月，美国空军注意到“猛禽”发动机的开发工作，因此提供了3360万美元支持可重复使用“猛禽”发动机原型版本的研发工作，SpaceX公司随即在得克萨斯州麦格雷戈试验场建造了一个新的发动机试验台。同年8月，加州霍桑工厂制造的首台“猛禽”发动机运抵该试验场，并于9月26日凌晨进行了点火试验。由于试验台无法满足全尺寸“猛禽”发动机的试验需求，这次试验仅测试了一个1000kN的缩比发动机，据报道，发动机的涡轮泵产生了27MW功率，试验总计进行了9s。
截至2017年9月，“猛禽”1的原型缩尺发动机已经进行了42次整机测试，积累了1200s的点火时长，其中最长单次点火时间是100s，试验中发动机的室压最高为20MPa，在后续试验中提升到25MPa。试验中还测试了用于制造氧涡轮泵叶片的抗氧化SX500合金，2018年年中，“猛禽”1初步定型。但是，“猛禽”1的改进工作并未停止，2020年8月，“猛禽”1在试验中达到了33MPa的室压，刷新了火箭发动机燃烧室压力的历史纪录，2021年5月，“猛禽”1首次完成全任务时长发动机试验。
“猛禽”2是“猛禽”1的改进版，其在“猛禽”1的基础上对涡轮机械、燃烧室、喷管和电子设备都进行了重新设计，移除了大量管道和传感器，删除了部分零件，并将许多活连接转为焊接连接，进一步减小了发动机的质量。此外，“猛禽”2的混合比稍微降低，同时略微扩大了喉部面积，因此导致喷管面积比降低，海平面比冲下降3s，但流过喉部的燃气流量增加，从而提高了推力。
2019年9月，SpaceX公司宣布“星舰”上的3个地面状态发动机和一级上所有发动机均计划采用“猛禽”2发动机，该发动机于2021年年中定型，年底开始生产，其研制和生产速度非常快。2022年2月，“猛禽”2的生产速度已经达到每周5台，而“猛禽”1逐渐停产；3月，“猛禽”2开始交付用于轨道测试的“星舰”使用；7月，“超重”推进器B7和“星舰”S24上分别完成33台和6台“猛禽”2发动机的安装工作；8月，“超重”推进器和“星舰”分别完成了1台和2台发动机的静态点火测试；11月，“猛禽”2已交付200台，同月还在“超重”推进器上进行了11台发动机的长程静态点火测试。
2023年2月，33台“猛禽”2首次尝试同时地面静态点火，试验中有1台发动机出现故障，导致该机和对称布置的另一台发动机关机，最终剩下的31台“猛禽”2共产生了约36000kN推力，虽然仅为设计值的一半，但仍超过人类历史上最大火箭“土星”五号的推力。
目前，“猛禽”2仍在持续改进中，SpaceX公司计划取消发动机上所有的法兰结构来减轻发动机质量，还打算取消喉部液膜冷却结构，并降低头部参与液膜冷却喷注燃料的比例以进一步提高性能。
图2 “猛禽”1和“猛禽”2性能对比
图3 “猛禽”发动机试车照片
（三）应用前景
“猛禽”发动机先后用于SpaceX公司在2016年提出的“行星际运输系统”（ITS）、2017年提出的“大猎鹰”火箭（BFR）和2018年提出的“超重-星舰”（Super Heavy Starship）上。
“行星际运输系统”是一款可重复使用的大型运载火箭，专门用于行星际运输，它由两级组成，一级是助推器（见图 4），直径为12m，高77.5m，总推力高达130MN，由42台“猛禽”发动机提供动力，为三圈分布，外圈21台和内圈14台发动机是固定的，而中心的7台发动机能够摇摆，通过调整中心发动机的方向和内外圈不同位置发动机推力，综合实现推力矢量控制；二级是飞船，采用6台真空版“猛禽”发动机和3台用于降落的发动机，用于载人和载货，此外还有一个专门用于在轨加注的飞船型号。
图4 ITS运载火箭助推器概念图
2017年，SpaceX公司在第68届国际宇航大会上公布了“大猎鹰”火箭计划，这是其前身“行星际运输系统”的更加现实的版本，火箭直径从12m减小到9m，一级发动机从42台减少到31台，二级则减少到6台，箭体计划采用碳纤维材料，能够在90min内全球可达，可以在近地轨道批量部署卫星，还能运送货物到月球和火星，甚至有潜力在单次任务中登陆月球再返回地球。2018年3月，SpaceX公司开始制造“大猎鹰”火箭的首个原型。
2018年9月，SpaceX公司对“大猎鹰”火箭进行了重命名，把一级助推器正式命名为“超重”推进器，二级飞船命名为“星舰”，成为最新的“星舰”计划。“星舰”最初的版本采用7台“猛禽”发动机作为动力，并带有机翼，其能够在再入大气时提供气动升力，尾翼还能在着陆时作为支撑腿使用。3个月后，SpaceX公司放弃了造价高昂且难以重复使用的碳纤维材料，转而大胆采用更重但更加便宜、可靠、易维护的不锈钢来制造火箭外壳。同一时间，SpaceX公司开始制造“星舰”的技术验证机“星虫”（Starhopper）。
2019年4月，首台“星虫”验证机配备1台“猛禽”发动机进行了大约1m的系留试飞；第二台“星虫”在同年7月进行首次无限制试飞，该验证机同样配备1台“猛禽”发动机，飞行时间约22s，飞行高度约18m；第三台星虫在同年8月试飞，飞行时间约57s，飞行高度约150m。3次试验后，“星虫”完成了技术验证任务，随后退役并拆解。
图5“星虫”试飞图片
在进行技术验证的同时，“星舰”的开发工作仍在持续进行。2019年5月，SpaceX公司修改了“星舰”的设计，改为采用6台“猛禽”发动机，包括3台海平面版和3台真空版，随后开始了紧张的制造和试验，在不到3年时间内迭代了近30个版本，中间还修改了一次设计，真空版“猛禽”发动机增加到6台，并全面升级为第二代“猛禽”。
2021年5月，“星舰”SN15首次飞行到10km高空并成功返回，创造了液氧甲烷发动机飞行试验的新纪录。目前“星舰”已全面转入轨道原型机研制阶段，“星舰”S20完成了全套地面测试，S24-S27共4枚“星舰”已组装完成等待测试，S28-S30共3枚“星舰”正在分段建造中，后续试验将持续开展。
图6“星舰”图片
二、BE-4发动机
（一）参数和技术特点
BE-4发动机是蓝色起源公司正在研发的大推力液氧甲烷火箭发动机，计划用于蓝色起源自己开发的“新格伦”火箭和联合发射联盟的“火神-半人马”火箭。BE-4的设计推力高达2450kN，是全世界初始设计推力最高的液氧甲烷发动机，设计燃烧室室压13.4MPa，海平面比冲310s，同时具备40%～100%变推力、100次重复使用和±5°摇摆能力。
图7 正在转运的BE4发动机
BE-4发动机采用富氧补燃循环，包括富氧燃烧的预燃室和同轴式涡轮泵，并采用静压轴承替代传统涡轮泵中的滚珠轴承和滚柱轴承，以提高涡轮泵的寿命和可靠性。发动机采用自生增压方式为贮箱内推进剂增压，省去维持贮箱压力所需的氦气瓶，在减少质量的同时简化系统，并且少带一种介质，降低了地面维护的复杂性。据报道，发动机还具备熄火后通过涡轮的入口压力再次点火启动的能力。
（二）研制历程和应用前景
2011年，BE-4的研制工作便已开始，2014年，蓝色起源公司宣布该型号将用在运载火箭上，2017年之前准备试飞。2015年开始，BE-4的研制工作分为两条并行支线同时进行，一边致力于测试发动机的全尺寸部件，包括阀门、涡轮泵、喷注器和燃烧室，另一边对发动机的整机缩比样机进行试验。
2015年9月，BE-4完成预燃室、燃烧室和喷注器的众多试验验证，并用试验结果修正其喷注性能、传热和燃烧稳定性模型。同年，发动机在试验时试验台发生爆炸而报废，但随后蓝色起源公司又建造了2个具备测试全推力BE-4发动机能力的试验台作为备份。2017年3月，首台BE-4发动机完成组装；同年5月，发动机在试验时发生异常，损失了1台动力总成，但没有影响总体的进度；同年10月，BE-4首次试车成功，仅以50%的推力进行了3s点火试验。
图8 BE-4首次试车
2018年3月，BE-4完成了一次65%推力的变混合比试验，发动机工作时间114s；9月，BE-4发动机已经完成了数百秒的测试，包括一项200s的长程试验。2019年2月，BE-4已累积了超过1800s的地面热试车时间，但试验发动机推力最大没有超过73%设计值，一直到2019年8月，BE-4才进行了首次全推力的热试车。2020年5月，BE-4进行了全推力状态下的8°摇摆试验，总试车时间累积达2500s。
图9 BE-4首次全推力热试车
2020年7月，蓝色起源公司将首台BE-4的原型机交付给联合发射联盟用于在“火神-半人马”火箭上进行联合测试；8月，第二台原型机即将交付，但联合发射联盟注意到BE-4的涡轮泵存在问题。10月，联合发射联盟声称问题已经解决，发动机很快就要投入生产，但事实并非如此。
发动机的涡轮泵问题、燃烧不稳定性、冷却能力不足和实际寿命短于设计寿命等问题层出不穷，蓝色起源管理团队也没能解决管理和后勤问题，导致完成组装的BE-4数量不多，试验台空置时间长，这促使蓝色起源公司在2021年8月冒险将未完全组装完成的首台飞行产品交付以避免违约，整机组装在2022年初才完成。
同年7月，蓝色起源公司在肯特工厂完成了第二台飞行产品的组装工作。7月底，首台BE-4飞行状态发动机进行了变推力试验，发动机在45%～100%推力之间的稳态工作时间超过256s，发动机试验照片如图 10所示，图中的白色线显示了推力变化。
图10 BE-4飞行状态发动机进行变推力试验
2022年10月初，BE-4的2号飞行产品运往联合发射联盟火箭工厂先行安装，1号产品在10月底完成测试后也运往此处；11月，2台BE-4完成在“火神-半人马”火箭上的安装，2023年1月随火箭运抵发射塔架，目前正在准备进行全箭的安装和测试。
BE-4原计划在联合发射联盟的“火神-半人马”火箭、蓝色起源公司的“新格伦”火箭和波音公司的XS-1航天飞机上使用，但由于研制进度的拖延和产能不足，目前已装配完成的整机仅够“火神-半人马”火箭测试用；单发需要7台BE-4发动机的“新格伦”火箭，由于进度滞后失去了国家安全太空发射（NSSL）项目第二阶段的参与权，研制进度将进一步拖后；而XS-1航天飞机于2017年选中航空喷气-洛克达因（Aerojet Rocketdyne）公司的AR22发动机，BE-4确定出局。
三、Aeon 1和Aeon R发动机
Aeon 1和Aeon R是相对论空间（Relativity Space）公司开发的液氧甲烷发动机，该公司于2015年成立。2017年，该公司宣布开发“人族”1（Terran-1）火箭，该火箭能将1250kg载荷发射到近地轨道（LEO），它由两级组成，一级采用9台Aeon 1液氧甲烷发动机，二级采用1台Aeon 1真空版。Aeon 1发动机采用燃气发生器循环，单台推力100kN，Aeon 1真空版单台推力126kN，它们均完全采用3D打印技术制造，整台发动机的零件数量不超过100个。
Aeon 1的研制速度缓慢。2017年12月，Aeon 1完成了点火系统的试验。2018年3月，相对论空间公司与斯坦尼斯航天中心签署了长期合作协议，建立了自己的试验能力。2019年9月，Aeon 1完成了涡轮泵测试。2020年6月，Aeon 1完成全3D打印喷注器试验；同年11月，Aeon 1首次完成187s的全推力状态热试。
2021年12月，Aeon 1完成鉴定试验。2022年1月，Aeon 1真空版完成310s的试验，同时首台用于飞行试验的Aeon 1交付；2月，Aeon 1发动机已完成超过500次热试；6月，用于“人族”1火箭首飞的全部9台Aeon 1发动机完成安装，并于7月在箭上进行了约10s的同时启动静态点火试验；10月，在未更换任何一台发动机的情况下，这9台Aeon 1共完成6次试验，累积185s试验时间。Aeon 1型号总共试验191次，总点火时间达10900s。
采用Aeon 1发动机的“人族”1火箭原计划在2022年11月进行首次无载荷试飞，后因进度问题改到2023年3月9日，但首次发射因为加注的推进剂温度超标而推迟，2天后的第二次发射尝试又因为火箭二级燃料压力下降问题而中止。3月23日，“人族”1第三次尝试发射，火箭一级飞行和一二级分离正常，但二级的Aeon 1真空版未能顺利点火，此次发射失败。
图11 Aeon 1发动机试车
2021年，相对论空间公司宣布其将基于“人族”1火箭的技术开发可重复使用的“人族”R火箭，该火箭的有效载荷提升至20t，一级采用7台新研的Aeon R发动机，二级则使用经过改进的Aeon 1发动机和铜燃烧室。Aeon R发动机的推力可达1150kN，同样采用燃气发生器循环，2022年11月进行首次试验，并在12月10日的试验中首次达到全功率设计状态。2023年2月，Aeon R完成了80%推力的30s热试；3月，首台完整Aeon R完成装配。目前，Aeon R的开发还在持续进行。
四、“阿基米德”发动机
“阿基米德”（Archimedes）发动机是火箭实验室（Rocket Lab）公司的产品，该公司早年开发了首个采用电动泵增压的“卢瑟福”发动机和“电子”火箭。
2021年3月，火箭实验室宣布将研制“中子”（Neutron）火箭，主要针对小型行星际运输需求和近地巨型星座建设需求，能把最多8t载荷送入近地轨道。最早发布的“中子”火箭设计高40m，直径4.5m，一级在海上平台着陆回收，采用RP-1煤油和液氧作为推进剂。2021年12月，火箭实验室发布了“中子”火箭的新设计，火箭直径增加到7m，同时修改了火箭飞行任务剖面，由海上回收改为发射场回收，此外推进剂改为液氧和甲烷，为此，火箭实验室开始开发采用液氧甲烷推进剂的新型“阿基米德”发动机。
“阿基米德”发动机最初设计采用燃气发生器循环，额定推力为1000kN，比冲为320s，“中子”火箭一级采用7台“阿基米德”发动机，二级采用1台真空版“阿基米德”发动机，真空推力1110kN。2022年9月，火箭实验室对“阿基米德”发动机的设计进行了更改，大量采用3D打印制造的零部件，且为了提升可重复使用性，在不牺牲比冲的前提下降低涡轮温度，循环方式由燃气发生器循环改为富氧分级燃烧循环，额定推力减小到730kN，真空比冲增加到329s，同时具有50%～100%的推力调节能力。
而真空版“阿基米德”发动机的额定推力减小为890kN，真空比冲为367s，与海平面版本的变推能力相同。2023年1月，“阿基米德”发动机的燃气发生器在斯坦尼斯航天中心A-3试验台进行试验，下一步将测试全流量下发动机的喷注器性能。目前，“阿基米德”发动机的开发还在起步阶段，火箭实验室计划在2023年完成整机测试，并在2024年发布成品。
图12 “阿基米德”发动机概念图
五、总结和启发
综合来看，美国商业航天公司在液氧甲烷火箭发动机研制方面呈现“梯队分布”局面，各型号发动机的研制进度参差不齐。
在百吨级推力发动机中，技术和进度最领先的“猛禽”已经完成多次长时间地面试验，采用该发动机的“星舰”已完成首次飞行，稍微落后的BE-4已经完成单机试车，目前正准备在“火神-半人马”火箭上进行联试，但其累积试车时间和技术成熟度略逊一筹；“阿基米德”和Aeon R发动机则仍处于研制的起步阶段，比较不成熟。Aeon 1独占10吨级发动机赛道，其技术难度相对较低，已完成了地面试验和单机研制，虽然其首次试飞失败，但从故障模式来看，至少作为火箭一级发动机的Aeon 1地面版已有相当的成熟度。
虽然美国商业航天公司在液氧甲烷发动机领域的研制基础、研制思路和技术路线不尽相同，但它们也具有不少共同点，主要集中在以下几个方面：
一是重视关键零部件自产能力；
二是重视专用的试验能力建设；
三是重视发动机的可重复使用特性。
这3个方面指向同一个火箭发动机开发指导原则——成本导向，拥有关键零部件自产能力能够从发动机产业链上游降低零部件采购成本，专用的试验台能够在产业链中游节约发动机试验成本，而发动机的可重复使用能够分摊产业链下游的火箭制造成本。正因为美国商业航天公司对发动机全寿命周期成本控制的重视，所生产的产品才可能具有较强的市场竞争力，且可以产生足够的利润维持公司生存与发展，其对发动机研制成本的事前考虑和顶层设计非常具有参考价值。
（原文首发于“空天动力瞭望”公众号，作者在其基础上进行了更新和完善）
本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：黄浩然（上海空间推进研究所）