甲烷將稱霸商業航天！九州雲箭「凌雲」發動機技術如何脫穎而出？

2018 年剛剛過去一半，全球範圍內的航天發射榜單也隨之出爐，在上半年，中美兩國皆以 18 次發射名列榜首，使其他國家難以望其項背。

但如果我們細細剖析這兩個「18 次」就不難發現，民營航天公司的已經成為了美國發射中的絕對主力，單單 SpaceX 的獵鷹系列火箭就佔據其中的 2/3。而反觀中國，我們也在執行越來越多的太空任務，可屬於我們自己的商業力量卻遲遲沒有出現。

圖丨上半年SpaceX最重要的發射無疑就是搭載特斯拉跑車的重型獵鷹首飛

實際上，在 SpaceX 十幾年來的帶動下，商業航天公司已經成為了全球範圍內的發展趨勢。在經歷了 2014 年的萌芽、2015 年的成長和 2017 年的集中爆發之後，中國也開始湧現出一批活躍的民營火箭創業公司。這些先行者大多將目光瞄準了液體火箭、甲烷動力、可回收的功能，為的就是緊跟當前國際上最流行的技術選擇，實現跨越。

2018 年 7 月 14 日，一直默默無聞的商業火箭公司九州雲箭邁出了技術研發中重要的一步，完成了「凌雲」10 噸液氧甲烷發動機副系統 200 秒長程試車考核。

圖丨本次「凌雲」發動機副系統試車現場

液氧甲烷發動機副系統又可以稱為渦輪工質供應系統，本次試驗的發動機副系統主要包括九州雲箭自主設計研發的燃氣發生器、火炬式電點火器、液甲烷主供應閥門、液氧主供應閥門、低溫單向閥門以及試驗工裝等。

圖丨「凌雲」發動機副系統產品狀態圖（上）與發動機模裝圖（下）

本次液氧甲烷發動機副系統試驗的順利完成，是發動機研製進程中具有里程碑意義的一次試驗，是突破發動機關鍵技術的重要一環，對支撐後續發動機的研製具有重要意義。

再論液氧甲烷之利

有關於未來的商業化運營的火箭究竟該選擇何類的燃料，業界已經爭論頗多，達成的基本結論就是：液氧甲烷是權衡之下最為合適的選擇。而九州雲箭的工程師也認為甲烷在未來 20 年之內霸主地位將不會被撼動。

眾所周知，甲烷作為一種清潔的能源被人們在生產生活中廣泛使用，1931 年，德國研製了世界上第一台液氧甲烷發動機，而近三四十年更是被世界航天界重點關注。

圖丨甲烷燃燒的淡藍色火焰

實際上，和目前世界各國已經使用多年的液氧煤油、液氫液氧乃至被視作「毒物」的偏二甲肼/四氧化二氮相比較，液氧甲烷具備成本低、較易貯存、無毒無污染、維護方便的特點。而作為低溫推進劑的液態甲烷，其黏度低（為煤油的 1/3）、結焦和積碳現象少等優點明顯。

液態甲烷存在著密度較小、飽和蒸汽壓高，致使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，並且其比沖與液氫液氧組合相比仍存在一定差距，進而導致難以徹底完成對後者的替代。但對於按照商業化思路來經營的民營公司來說，最為重視的還是性價比，這個時候，甲烷的優勢就體現出來了。

更重要的是，以液氧甲烷為燃料的發動機同樣具有優秀的重複使用潛力，可以保證發動機具備幾十次甚至上百次的使用次數，這對於越來越急需的「航班化」火箭和可重複使用的天地往返系統而言可謂是天賜良「葯」。

圖丨美國的「三角快帆」試驗飛行器DC-X是世界上第一艘以火箭動力進行垂直起降的可重複使用運載器

需要強調的是，可重複使用發動機考驗的就是飛行後高效的處理維護。由於液氧和液態甲烷的沸點分別為－183℃和-161.5℃，接近宇宙中的背景溫度，這也就意味著航天器的推進劑儲箱不需要做特殊的隔熱和結構強化處理，減少了死重。加之結焦積碳少的優點，發動機十分易做清潔處理，只需要通過氮氣吹除即可將內腔推進劑處理乾淨，整個流程僅需數天即可完成。兩點都無形中降低了火箭在可重複使用中的成本。

鑒於液氧甲烷推進劑以上種種的優點，美俄等主要航天強國都不同程度地開發過該類型的發動機。目前，國際上當屬美國對液氧甲烷組合最為積極，SpaceX 在告別梅林之後將徹底投向「猛禽」甲烷的懷抱，藍色起源的 250 噸級 BE-4 液氧甲烷發動機更是肩負起了新格倫、宇宙神 5 和火神等一眾明日之子的動力來源。

圖丨BE-4與「猛禽」兩款發動機

在歐洲，以法國斯奈克瑪公司為主研製的 200 噸級「伏爾加」（Volga）液氧甲烷發動機，計劃用於歐空局未來運載火箭準備項目（FLPP）。即便是一向對煤油情有獨鐘的俄羅斯也開始觸及甲烷機的研發，試圖通過 RD-0164 和甲烷版 RD-180 來將自家的聯盟 5 火箭打造成俄版的「獵鷹 9 號」。

在液氧甲烷發動機的後續研發之中，出於重複使用對動力裝置的高技術要求，未來發動機在工作壽命、維護方便性、新材料新工藝和推力調節等方面依舊有值得進一步提升的地方。

值得關注的「火炬式電點火」

正如前文所述，為適應發動機多次重複使用的要求，發動機推進劑的選擇至關重要，而除此之外，最需要斟酌的一點就是火箭發動機點火系統的選擇。

近年來，全球範圍內多種新型的發動機點火方式不斷湧現，如氣動諧振點火、爆震波點火、催化點火、激光等離體點火等。平心而論，新型點火方式固然有其簡單、可靠等可取之處，但同時也對推進劑類型的選擇要求比較苛刻。

當前主流的發動機點火器包括火藥點火器、火炬式電點火器兩類。火藥點火器利用電爆管點燃低速燃燒的固體裝葯來對主推力室點火。

而火炬式電點火系統由激勵器、火花塞、點火室及點火閥門組成，通過電火花塞點火系統點燃點火室內小流量的點火推進劑，以產生穩定的燃氣流點燃燃燒室的推進劑。值得一提的是，在 7 月 14 日這次發動機副系統試驗之前不久，九州雲箭自主研發的甲烷/氧火炬式電點火系統已成功完成了數十次熱點火測試。

與以往火藥點火器的傳統點火方式相比，火炬電點火方式具有適應發動機多次（通常可達幾十次）起動的技術優勢，是研製可重複使用運載火箭必須掌握的關鍵技術之一，代表了火箭發動機點火領域技術發展趨勢，如歐洲新一代運載火箭阿里安 6 VINCI 發動機、著名商業航天公司 SpaceX 正在研製的「猛禽」液氧甲烷發動機以及 Blue Origin 公司的 BE-4 液氧甲烷發動機均採用了火炬式電點火系統。

雖然火炬式電點火代表未來的主要方向，但如點火室壓力、推進劑混合比和冷卻方式等要素依舊會在不同程度上影響著整個點火系統的可靠性。

以推進劑混合比為例，其直接決定了點火溫度的高低，混合比太低或太高都會導致很難點燃，因此一般性的選擇會是更易點燃以及維持燃燒的富氧高混合比狀態。而點火室壓力影響的則是整個點火系統的結構質量，點火室壓力越高，則相應的整個點火系統壓力就越高，結構質量可能也越大。

九州雲箭通過火炬式電點火試驗，獲得了點火系統在不同條件下的點火特性，考核了點火系統工作時序和工作可靠性，摸清點火系統的穩定工作邊界，表明該公司已經掌握了液體火箭發動機的先進點火技術，對實現發動機的多次起動具有重大意義，為重複使用運載火箭的研製奠定了堅實的基礎。

小火箭浪潮中如何勝出？

時下商業航天火熱，私營火箭研發是其中最為亮眼的一塊業務領域，無論是美中歐日等傳統航天強國，還是新加坡、巴西、澳大利亞、紐西蘭等後起之秀，都湧現出了可圈可點的小型商業火箭創業公司。九州雲箭也希望未來幾年在自有液氧甲烷發動機的基礎上打造中小型商業運載火箭，承接國際化的發射業務。

那麼，如何能夠在幾十上百種火箭中勝出？以贏得微小衛星發射的市場就成了考驗各家公司方案選擇和技術思路的重要指標。DT 君就來分析一下領軍者是如何做的。

一、既有技術和產品的商業化。由於探討的是小型運載火箭範疇，所以固體火箭就勢必是不可或缺的一個角色，尤其是在滿足快速發射、高頻率發射和專項發射等任務時，其更具有天然的優勢。

以諾斯羅普·格魯曼前不久收購的軌道 ATK 公司、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和歐空局（ESA）為例，它們都具有成熟的固體導彈或火箭的技術儲備。

歐空局從 2003 年開始研製「織女星」（Vega）運載火箭，屬於小型單體三級固體燃料火箭，它的 P80 固體發動機由阿里安 5 號的固體助推器改進而來；日本的「Epsilon」運載火箭同樣大量使用了 JAXA 現有的成熟部件和技術，其火箭一子級採用的是 H-2A 火箭的固體助推器，二、三子級則由退役的 M5 火箭改進而來。

圖丨日本的「Epsilon」小火箭

至於軌道 ATK 公司知名的 Minotaur、Pegasus 乃至後續的 OmegA 火箭以及中國的快舟系列更是固體火箭中的佼佼者。

依靠這些技術和設備針對商業市場研發新型運載火箭將可以保障產品可靠性，同時減少研發製造成本和時間。

二、通用化、模塊化設計。包括發動機在內的火箭部件的通用化、模塊化設計不僅可以提高產品的可靠性和生產效率，在成本控制和後續迭代上也有極大的優勢。

雖然 SpaceX 的「獵鷹 9 號」已經躋身大中型火箭之列，但其很好地通用化設計思路對後來的小火箭創業公司依然具有很好的啟發意義。以 Rocket Lab 的「電子」（Electron）火箭為例，火箭一、二級共用同款「Rutherford」液氧煤油發動機的不同版本，其中一級採用的 9 台「Rutherford」發動機完全相同，二級採用真空型、大擴張比噴管版本，難怪外界稱其為「低配版」SpaceX。

圖丨Rocket Lab 「電子」（Electron）火箭尾端

除了動力系統之外，「電子」火箭各級電氣系統也得以極大地壓縮，全重僅為 8.6 公斤。同時，模塊化的硬體結構增強了適應性，FPGA 和實時傳輸系統技術的引入使軟體層面的改寫就可以完成不同的功能定製，減少硬體的種類和生產製造周期。

另外，如 Firefly 公司火箭的一、二級發動機同款燃燒室設計，「織女星」火箭通用「阿里安」火箭飛控系統和安全防護系統，Minotaur 火箭通用航電設備等思路也屬於殊途同歸。

三、新技術的創新依舊是王道。隨著計算設備的小型化發展趨勢，箭上控制系統也出現了小型化、智能化、分布化的一個發展方向。比如「電子」火箭基於通用硬體的分散式計算架構滿足了計算模塊的各級分布。

九州雲箭也在這一方面擁有自己的創新，他們開發的發動機控制系統就是將傳統的單一火箭控制系統進行分離，靠單獨的控制器給發動機發布指令，相當於是為火箭發動機裝上了一個「大腦」。

而 JAXA 的「Epsilon」火箭的創新則側重在了自主檢測系統和發射控制系統。發射前，箭上計算機可以對全箭各系統的狀態進行自主監控、故障診斷、故障隔離及恢復；發射過程中，通過互聯網即可以實現控制操作，簡單如打電子遊戲，極大地簡化了流程、縮減了成本。

圖丨Rocket Lab 創始人 Peter Beck 手持 Rutherford 發動機

在動力方面，不得不說「電子」火箭的「Rutherford」發動機依舊是創新典範，雖然其仍然使用液氧煤油的推進劑組合，但火箭發動機的推進劑泵取消了燃氣發生器、渦輪及大量管路閥門，增加了電池組、逆變器和電動機，利用無刷直流電機驅動。與傳統的燃氣發生器驅動渦輪相比，電動機的功率較低、效率較高，雖然這限制了火箭承擔更大的運載載荷，但 90% 以上的利用效率減少了攜帶燃料的質量，未來隨著新型電池的能量密度更高，火箭的運載能力也將會有進一步提升。

而為了達到減重結構的目的，新型複合材料的運用已成必由之路。「電子」火箭整流罩採用碳纖維複合材料，全重只有 30 公斤，未來液氧貯箱也有希望用上碳複合材料。「織女星」火箭的一級發動機殼體也採用 IM7 碳纖維材料，和美軍頂尖的 F-22 戰機所使用的類型相同。

另外，3D 列印為火箭帶來的在整體結構和生產製造上的改變也是有目共睹。Relativity Space 公司使用 3D 列印技術製造火箭發動機和助推器，有希望將運載火箭的零件數量從 10 萬個降低到 1000 個以下。Rocket Lab 的「Rutherford」發動機是世界上首個所有主要部件採用 3D 列印的液氧煤油發動機，一台發動機的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進劑閥門等最快可在 24 小時內完成列印，便於發動機低成本、快速和批量製造。

圖丨Relativity Space 的 3D 印表機

技術的創新有利於願景的實現，而需求的產生反過來推動對技術的探索。隨著人類進入太空的想法越來越強烈，如九州雲箭這樣的中國民營火箭公司能否在世界商業航天舞台上佔據一席之地，我們拭目以待。

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