重复使用液体火箭发动机研制流程浅析

1 概述

传统的液体火箭发动机多为一次使用，在只需保证一次工作可靠性的前提下，将系统指标设计到极致，将材料强度和推进剂能量等发挥到极限，从而在最低成本下、最大程度上完成最高指标的任务。[1]

近年来随着回收技术的发展应用，可重复使用的应用场景随之产生，针对可重复使用要求的液体火箭发动机研制也成为关注点。

2 典型可重复使用发动机研制

本文对航空发动机、Space X 可重复使用发动机等典型可重复使用发动机研制情况开展了研究。

2.1 航空发动机

航空发动机与液体火箭发动机具有相似的工作环境和产品构成，同时形成了一套完整的可重复使用寿命评估体系且通过大量工程实践验证。[3]

（1）失效模式识别与寿命设计

航空发动机通过故障树模型，分析因重复使用要求带来的疲劳、蠕变、腐蚀、断裂等失效因素，开展薄弱产品及环节（轴承、涡轮叶片、涡轮盘等）的识别，以此为基础开展寿命设计和寿命分析，同时针对这些薄弱产品及环节开展极限测试进行寿命验证。

（2）载荷矩阵的建立

航空发动机将典型任务剖面载荷矩阵（气动、温度、压力、振动等）、环境（温度、机场位置等）矩阵、实际任务矩阵相结合，得到精准的发动机载荷矩阵，将发动机载荷矩阵分解至各组件形成下一级载荷矩阵，载荷矩阵确定了发动机在使用中所承受的典型载荷状态及各种载荷状态发生的频次[4]。将载荷矩阵作为组件及整机寿命考核仿真、试验输入能够真实反映出产品实际工作环境，确保寿命验证的有效性，能够有效控制风险，精准获取寿命数据。

（3）极限寿命测试与验证

航空发动机以关键零部件寿命作为评估整机寿命的基础，根据发动机在研制、生产、使用及维修过程中暴露出的主要故障确定薄弱环节，并在发动机温度极限、压力极限、过载极限、转子转速极限、振动极限等方面的指标进行识别，针对这些指标开展极限考核评估组件寿命。

（4）产品健康状态监测策略

航空发动机设计最大限度的使用了无损探伤技术，采用的测试与探伤设备有小型化、通用化和集成化的特点。航空发动机设计标准要求在燃烧室喷注器、涡轮转子等八类关键位置必须设置不小于 1cm 的检查孔，并能缓慢转动转子；通过大量传感器数据和健康管理系统进行实时监测，通过振动监测、压力温度变化预测工作故障。

（5）维修策略

航空发动机基于大量历史数据构建寿命分布，并且在发动机产品设有多个检测口便于飞行后对关键位置进行内窥镜等无损检查，结合整机模块化的可分解结构设计，可以实现以定期检测和周期维修相结合的维修策略

2.2 典型可重复使用火箭发动机

国内外典型可重复使用液体火箭发动机，在可重复使用技术研究和研制流程方面均借鉴了航空发动机的技术途径和研制流程。猛禽（Raptor）系列发动机是SpaceX 研制的全流量补燃循环液氧甲烷发动机，其在可重复使用方面开展的工作主要包括：

（1）全流量分级燃烧循环（载荷矩阵设计）

猛禽发动机采用全球首创的全流量分级燃烧循环技术，在提升发动机性能的同时，可以显著降低涡轮入口温度，使得涡轮叶片热应力降低 30% ，延长核心高温部件寿命，从而提升发动机重复使用寿命。

（2）集成化设计（载荷矩阵设计）

第三代猛禽发动机将流体管路和电控设备集成到了发动机内部，降低了结构复杂度和结构干重，更重要的是，这种集成化设计能实现在发生推进剂泄漏的故障模式下，泄漏介质能够排放至内部并参与燃烧，不会在箭体内部聚集，大幅提高整箭可靠性。

（3）模块化设计（使用维护设计）

猛禽发动机的涡轮泵、发生器和喷管等关键部件可快速拆卸更换。第三代猛禽发动机通过模块化设计将维修时间从两周缩短至八小时[5]。

（4）先进工艺与材料应用

猛禽发动机大量采用3D 打印技术，实现复杂结构一体化成型；自主研发了SX300 和 SX500“超级合金”，具有优异的高温强度和抗腐蚀能力，可在 80MPa和1200℃环境下长期使用，该合金制造的氧涡轮泵叶片，在重复使用10 次后仍能保持 95% 强度；第三代猛禽发动机使用碳化硅陶瓷转子，寿命比传统金属材料延长三倍以上。

（5）寿命试验验证

猛禽发动机累计进行了超过 1000 次地面热试车，总点火时长超五万秒；在星舰系列测试飞行中，猛禽发动机经历了多次高风险测试，通过分析回收发动机的磨损数据，优化迭代设计[6]。

（6）大数据驱动的维护策略（健康监测）

SpaceX 通过在发动机关键部位部署温度、压力和振动传感器，高频次测试积累振动、温度等数据，结合AI 算法预测部件寿命，提前进行预防性维修[7]。

3 重复使用液体火箭发动机研制流程思考

可重复使用发动机以航空发动机为标杆，国外相关可重复使用液体火箭发动机在研过程中均借鉴了相关研制流程、设计方法、材料选用、载荷矩阵、健康监测、使用维护等做法。在此基础上从以下方面开展思考：

3.1 构建体系化的重复使用发动机研制标准

对比航空发动机寿命评估体系和国外可重复使用火箭发动机实际做法，从以下方面构建重复使用发动机标准体系：（1）根据发动机寿命评估顶层要求从寿命设计、试验验证、仿真评估、材料特性、检测维护等方面分别构建标准规范。（2）围绕推力室、涡轮泵等核心部组件研究制定具体的寿命评估标准规范。 （3）通过识别失效模式和组合件薄弱环节制定原材料、元器件特性种类，传感器测量要求等基础类标准。（4）将发动机和组合件载荷矩阵、安全系数等输入细化为可操作的实施标准。

3.2 建立重复使用发动机试验矩阵

国内液体火箭发动机结构通常以稳态最大载荷数据为输入进行设计为主，辅以部组件试验和整机寿命试车验证。因此，后续需建立重复使用发动机试验矩阵：（1）制定重复使用液体火箭发动机多次点火、变推力、热循环、再入二次点火等整机试验矩阵，建立模拟任务试车和加速任务试车、加速寿命试车等试验项目，快速暴露影响寿命的疲劳缺陷。（2）针对关键组件寿命评估试验项，以失效模式和载荷矩阵为输入，开展各组件试验项目梳理，明确各项目试验时间、温度、疲劳周期等具体要求，形成各组件寿命评估的精确试验矩阵。

3.3 推动先进材料技术研究应用

借鉴航空发动机和相关可重复复使用火箭发动机经验，推动新型先进材料和智能制造技术拓展应用：（1）针对高温合金开展改性与复合研究，因火箭发动机容易产生的热机械疲劳工况，可以采用调整单晶合金的元素配比，例如航空涡轮单晶叶片中添加 0.5% 的铼元素，可使热机械疲劳寿命提升 40% 。（2）借鉴航空发动机热障涂层多层设计，设计密度梯度涂层提高抗热震性、降低界面热应力，例如采用纳米结构晶粒热障涂层，可使涂层寿命从 5 次重复使用能力提升至 20次。

3.4 使用维护与快速检测

目前重复使用发动机的使用维护与快速检测流程仍基于一次使用发动的地面试验及外场工作经验制定，发动机飞行回收后检查实践处于空白，地面整机试车后检查方法受人为因素影响较多，故障检测准确率低、周期长，需开展适合于短周期周转的检测方法研究，建议从以下方面开展工作：（1）结合各组件寿命特征，研究全寿命周期使用维护方案。（2）采用智能化检测方法，提高检测便捷性和准确性，研究不同场合处理所需的专用设备，实现自动化处理，缩短处理时间。（3）采用模块化设计，结合发动机飞行数据以及飞行后无损检测结果、维修结果，不完善不下箭维护、靶场维修和返厂维修准则和流程。

3.5 平衡寿命、成本与性能关系

为满足重复使用发动机寿命指标的要求，发动机需牺牲一次性设计理念下的部分性能指标，从而保证多次使用的可靠性，同时增加了在线健康监测、回收后检查维护等工作内容，提高了研制成本。所以需在满足成本和指标平衡间开展工作：（1）研究发动机关键性能（比冲、推重比等）与寿命指标的平衡性，例如过度追求可重复使用长寿命可能导致发动机性能下降比例大。（2）研究发动机寿命指标与成本的平衡性，为保证高可靠开展大量子样试验、频繁维修或大量更换组件模块会带来难以承受的成本上升。

4 结论

本文通过对比研究航空发动机和国外相关可重复使用火箭发动机研制实践，认识到从关键件寿命评估、模块化结构思想、无损智能快速检测、实时数据监测评价、使用场景模拟、快速维护评估、高强极限试验等方面应加以借鉴并开展深化研究。

参考文献：

[1]金平，吕俊杰，戚亚群，蔡国飙. 可重复使用液体火箭发动机寿命问题探讨[J]. 宇航总体技术， 2023， 7（4）：51-59.

[2]包为民，汪小卫．航班化航天运输系统发展展望[J]．宇航总体技术， 2021，5（3）：1-6

[3]付航. 航空发动机研制过程中项目管理技术探究[J]．科技创新与应用， 2020， （3）：187-188.

[4]于海顺，赵娜，史妍妍. 航空发动机工作分解结构（WBS）构建方法[J]. 航空发动机， 2018， （3）：163-163.

[5]刘士杰，王东，田原，马晓秋，郑大勇. 液体火箭发动机可重复使用性设计技术分析[J]．火箭推进， 2024， 50（1）：67-77.

[6]张晓东， 刘昶， 朱亮聪. 垂直起降重复使用液氧甲烷运载火箭发展路线探讨[J]. 空天技术， 2022（ 3） ： 71-79

[7]李斌，张小平，高玉闪． 我国可重复使用液体火箭发动机发展的思考[J]火箭推进， 2017，43（ 1） ： 1-7