本文轉載自上海空間推進研究所公眾號空天動力瞭望 原作者黃浩然

概述

液氧甲烷火箭發(fā)動機具有無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易于重復使用等特點，并且有在外星原位生產的潛力，能夠較好地滿足商業(yè)化火箭發(fā)射的需求，因此液氧甲烷發(fā)動機技術近年來隨著私人商業(yè)航天企業(yè)的蓬勃發(fā)展而突飛猛進，世界各個國家和地區(qū)涌現出一批成熟度各異的有代表性的型號。本系列文章嘗試對近年來液氧甲烷發(fā)動機研制進展進行一些梳理，以饗讀者。本系列往期文章請見文末。

在液氧甲烷發(fā)動機領域，中國是世界上除美國外研究最熱火朝天的國家，雖然因為歷史原因而技術底子薄，研究起步晚，總體研制進度靠后，但進步速度卻不落下風。近年來，受商業(yè)航天公司崛起的影響，國內也涌現了一批民營航天企業(yè)，其中有不少公司瞄準了商業(yè)火箭發(fā)射市場，開始開發(fā)液氧甲烷發(fā)動機。本系列第二篇文章介紹中國商業(yè)航天公司液氧甲烷發(fā)動機研制進展。

藍箭航天——天鵲系列

北京藍箭航天公司于2015年成立，2016年下半年開始著手研發(fā)液體火箭發(fā)動機，目前致力于研制以液氧甲烷發(fā)動機為動力的大中型火箭。

藍箭航天的液氧甲烷發(fā)動機產品包括天鵲11（TQ-11）、天鵲12/12A（TQ-12/12A）和天鵲15A（TQ-15A）三型發(fā)動機，其中天鵲11可作為游機，天鵲12/12A是一級主發(fā)動機（12A是12的改進型），天鵲15A是二級主發(fā)動機。三型發(fā)動機參數如表 1所示，概念圖如圖 1所示。

表?1 天鵲系列發(fā)動機參數

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圖?1 天鵲發(fā)動機概念圖（左：天鵲11, 中：天鵲12，右：天鵲15A）圖片來源：藍箭航天公司官網

天鵲11是藍箭研制的8噸級四機組發(fā)動機游機，每機組推力為2噸，用于火箭推力矢量控制。2018年7月，藍箭航天召開發(fā)布會，對外公布了“80+10”的火箭動力系統(tǒng)技術路線，其中80噸級液氧甲烷發(fā)動機(TQ-12)通用于火箭一級和二級，10噸級液氧甲烷發(fā)動機(TQ-11)通用于火箭二級游機和三級。

天鵲11采用燃氣發(fā)生器循環(huán)、同軸式渦輪泵，1臺渦輪泵同時供應4臺個推力室，與80噸的主發(fā)動機共用閥門。天鵲11采用了泵后搖擺技術，搖擺角度達±25°，實現火箭的俯仰、偏航和滾轉控制，還采用自生增壓技術，可直接為推進劑貯箱提供增壓介質。在生產上，廣泛采用3D打印技術，縮短了組件制造周期。在研制中，天鵲11國內首次將流體動壓密封技術應用于液體火箭發(fā)動機工程研制，該技術具有低泄漏、零磨損、適應多次起停的特點，能提高發(fā)動機的可靠性；此外，還突破高精度低溫混合比調節(jié)器技術，調節(jié)器由電機、控制儀控制器驅動，實現低溫發(fā)動機混合比無級調節(jié)，調節(jié)范圍達±10%，可減少推進劑剩余量，提高火箭運載能力。

2019年1月，天鵲11完成燃氣發(fā)生器熱試車，7月完成650s推力室長程試車，9月完成半系統(tǒng)試車，11月20日完成總裝裝配，并在11月30日完成全系統(tǒng)試車，成為當時國內唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動機。根據報道，在該次試車中發(fā)動機起動關機平穩(wěn)迅速，實測結果與計算值良好吻合，四臺推力室工作一致，各組件振動脈動幅值低，試后產品完好，初步考核了發(fā)動機技術方案可行性、起動關機時序合理性、多項創(chuàng)新技術、水平狀態(tài)游機試車工位適應性。2020年3月，天鵲11在藍箭湖州試驗基地進行了10s、100s、750s（覆蓋全部任務時間）和1500s熱試車，確認了發(fā)動機質量和工藝狀態(tài)穩(wěn)定。2020年7月，朱雀二號火箭完成控制系統(tǒng)和二級游機的匹配性驗證試驗，天鵲11在此次試驗中單次工作時間長達3000s，單臺累計工作時間4500s，超過額定工作時間5倍，型號累計工作時間超過10000s，完成了±25°搖擺試車。2021年3月，天鵲11又完成一輪試車，單次點火時間4000s，單臺累計工作時間超過10000s，型號累計工作時間超過30000s，還完成模擬飛行過程考核，90%~110%連續(xù)變推力考核，低溫推進劑自生增壓試驗和搖擺試驗等項目。目前從公開報道看來，天鵲11的狀態(tài)已經比較穩(wěn)定，已經具備使用條件，后續(xù)也順利參加朱雀二號火箭的聯試。

圖 2 2019年11月天鵲11全系統(tǒng)熱試車圖片來源：藍箭航天官方微博

天鵲12是80噸級發(fā)動機主機，是藍箭航天所有產品中的重頭戲。天鵲12的研制比天鵲11更加循序漸進一些，首先進行了縮比驗證機的研制，然后再進行全尺寸發(fā)動機研制。2017年，藍箭開始研發(fā)10噸級的縮比推力室原型機，同年9月完成推力室設計，2017年底到2018年初完成了燃氣發(fā)生器點火試驗，2018年2月開始推力室試車，驗證了全尺寸發(fā)動機所涉及的一系列技術。

2018年7月的發(fā)布會上，藍箭宣布完成了天鵲12早期版本的設計工作，隨后幾個月內，發(fā)動機各組件密集交付，并在2019年3月完成裝配。同月月底，天鵲12完成5秒的半系統(tǒng)試車，測試了除推力室以外的渦輪泵、燃氣發(fā)生器、各種閥門、點火和起動裝置及總裝管路。2019年5月，天鵲12包括推力室在內的整機完成裝配，一周后，天鵲12該型號首次完成全系統(tǒng)試車，在接下來的又一周時間里連續(xù)進行了四次試車，并在5月17日進行了20s的試車，這標志著天鵲12所需的全部技術基本完成突破。隨后，2019年7月，天鵲12又完成了100%推力試車，總試車時間100s，驗證了多項發(fā)動機技術和并對百噸級發(fā)動機試車臺進行了考核，報道發(fā)動機實測推力高于設計值，部分關鍵參數達到飛行要求；2019年10月26日，天鵲12完成了變推力長程試車，總試車時間200s，驗證了推力調節(jié)技術和低溫調節(jié)器技術。隨后，2020年5月，天鵲12完成三次搖擺試車點火試驗，與朱雀二號火箭的控制系統(tǒng)進行匹配，驗證了大推力主發(fā)動機泵后搖擺技術。11月，天鵲12與天鵲11組合成為火箭二級發(fā)動機組并完成聯合試車，兩型發(fā)動機共用控制和吹除模塊，考核了二級發(fā)動機系統(tǒng)和總裝結構方案可行性及主機游機工作協(xié)調性。2021年1月，天鵲12連續(xù)完成五次400s的長程可靠性試車考核，覆蓋13倍飛行時間，并進行了推力適應性、混合比適應性、極限入口溫度壓力試驗，驗證發(fā)動機可靠性和穩(wěn)定性。2月，四臺天鵲12構成了的火箭一級動力系統(tǒng)組裝完成，這標志著天鵲12該型號已基本定型。根據藍箭航天發(fā)布的消息，截至2022年7月底，已經有37臺天鵲12被生產出來發(fā)動機出廠，熱試車時間總計超過20000s，單臺發(fā)動機累計啟動11次，累計點火時間3357s。

天鵲12A是天鵲12發(fā)動機的改進型，于2021年2月天鵲12完成研制后立項，充分繼承了天鵲12前面型號的技術，通過設計優(yōu)化提高了9%的推力和4s的比沖，并且減輕了100kg的重量。TQ-天鵲12A在2022年8月進行了二次起動考核試車，在工作400s后關機，再然后二次起動工作10s，發(fā)動機起動關機正常，工作平穩(wěn)。

天鵲15A可以看做是天鵲12的真空版改進型，與后者共用渦輪泵、閥門、燃氣發(fā)生器等關鍵部件，取消了游機，節(jié)省了400kg重量，同時增大了噴管面積比，同時還具備±4°雙向搖擺功能，可點火三次，可具備60%~110%深度變推能力，渦輪排氣引入噴管延伸段，提高比沖同時減小了側向力。2022年9月25日，天鵲15A完成裝配，10月19日在湖州基地完成首次全系統(tǒng)試車，試驗時長20s，該次試車帶伺服機構，但不帶大未使用噴管延伸段，考核了改進方案可行性和時序正確性。

圖 3 2019年5月17日，天鵲12首次完成全系統(tǒng)熱試車圖片來源：藍箭航天官方微博

2022年11月，藍箭航天自主研制的朱雀二號運載火箭（遙二）主要部組件齊套，在嘉興藍箭航天中心開始總裝工作。該火箭為兩級運載火箭，一級采用4臺天鵲12系列80噸級液氧甲烷發(fā)動機并聯，二級采用單臺天鵲12系列發(fā)動機和一臺10噸級天鵲11發(fā)動機游機。12月14日16時30分，藍箭航天在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行朱雀二號遙二首次飛行試驗，火箭一二級主機工作正常，但二級的天鵲11游機工作異常，最終發(fā)射任務未能成功。盡管朱雀二號這次不幸未能成為全球首款成功入軌的液氧甲烷火箭，但據報道，火箭仍飛越了卡門線（海拔100km），可以說在液氧甲烷發(fā)動機的實戰(zhàn)驗證中走得最靠前了。

星際榮耀——焦點系列

北京星際榮耀公司于2016年10月成立，致力于研發(fā)商業(yè)運載火箭并提供系統(tǒng)性發(fā)射解決方案，為客戶提供系統(tǒng)、高效、優(yōu)質、具性價比的發(fā)射服務，提升人類自由進出空間的能力解決方案。星際榮耀的液氧甲烷發(fā)動機產品包括焦點1號和焦點2號，其中焦點1號（JD-1）是15噸級推力發(fā)動機，預計將配備到雙曲線二號火箭上，其一子級采用9臺焦點1號發(fā)動機，二子級采用一臺。焦點2號（JD-2）是100噸級推力主發(fā)動機，將被用于未來的雙曲線三號運載火箭上，一子級配備9臺焦點2號發(fā)動機，二級配備一臺焦點2號真空版。兩型發(fā)動機參數如表 2所示，概念圖如圖 4所示。

表?2 焦點系列發(fā)動機參數

圖?4 焦點發(fā)動機概念圖（左：焦點1號，右：焦點2號）圖片來源：星級榮耀公司官網

盡管星際榮耀公司成立時間比較早，但前期主要集中精力在固體火箭的研制上，在液氧甲烷發(fā)動機上的研制開始較晚。2018年6月1日，星際榮耀發(fā)布新聞稱焦點1號燃氣發(fā)生器點火試驗成功，2019年3月完成渦輪泵和副系統(tǒng)100s聯試，4月完成推力室點火試驗，7月完成200s的全系統(tǒng)長程試車，完成結束了模樣階段研制。同年12月25日，焦點1號完成500s全系統(tǒng)試車，說明其可靠性達到一定水平。2020年5月19日到6月6日，同一臺發(fā)動機又先后完成四次試車，最長點火時間達500s，累計點火時間超過了1500s，驗證了二次起動、自生增壓系統(tǒng)、分瓣式浮動環(huán)密封、氣瓶起動等技術，7月8日到17日，焦點1號又完成了兩次200s的變推力長程試車，驗證了連續(xù)流量調節(jié)機構的可靠性，累計試車時間達到2107.5s，至此該型號基本完成階段性研制目標。

2020年11月11日，焦點1號完成500s的二次起動搖擺試車，2021年4月1日，完成500s模擬飛行變推力試車，發(fā)動機在50%-100%推力范圍內連續(xù)工作，試驗證明發(fā)動機具備執(zhí)行垂直起降任務的條件，4月26日，發(fā)動機又完成與箭上控制系統(tǒng)的聯合熱試車。

圖 5 2019年12月25日，焦點1號完成500s長程試車圖片來源：星級榮耀公司官網

至于焦點2號，目前與其相關的消息較少，星際榮耀官方只說透露信息僅包括它的推力為百噸量級和比沖大于>300s，前面表2中所列具體參數來自國外愛好者整理，沒有缺少更多資料佐證。2022年9月2日，星際榮耀宣布焦點2號的火炬點火器和針栓噴注器燃氣發(fā)生器聯合點火試驗取得成功。后續(xù)該型號應該可能會有更多進展，但目前未有公開消息表明星際榮耀擁有自己的試驗臺，焦點系列的試驗可能是在租用的試驗臺完成的，而焦點2號的推力較大，需要更大更好的推進劑保障設施，其研制速度可能會嚴重受限于目前租用試驗臺的試驗能力。

九州云箭——凌云、龍云

九州云箭公司（北京）空間科技有限公司成立于2017年10月，是一家專業(yè)研制液氧甲烷發(fā)動機的民營航天企業(yè)。與藍箭航天和星際榮耀不同的是，該公司九州云箭專注于制造液氧甲烷發(fā)動機而不涉及運載火箭。

九州云箭的主要產品包括10噸級的凌云和70噸級的龍云兩型發(fā)動機，小推力的凌云通過多級并聯可滿足小型液體火箭的發(fā)射、回收及復用需求，也可以用于上面級，而大推力的龍云可以作為主動力使用。兩型發(fā)動機參數如表 3所示，概念圖如圖 6所示。

表?3 龍云、凌云發(fā)動機參數

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圖?6 凌云（左）、龍云（右）發(fā)動機概念圖圖片來源：九州云箭公司官網

凌云發(fā)動機采用柔性噴注單元設計，能夠快速更換噴注單元，便于試驗和方案迭代，并且廣泛采用激光焊接激光焊和電子束焊，通過大量采用3D打印技術，減少了90%的焊縫，還利用仿真手段提升設計可靠性，避免采用昂貴的高溫合金材料，節(jié)約成本。發(fā)動機渦輪泵可采用氣瓶起動，泵端溫度約-190℃，渦輪端燃氣溫度約700℃，功率大于1MW，重量小于31kg。發(fā)動機采用主、副雙路火矩式電點火啟動，避免了傳統(tǒng)的火藥柱啟動方式，滿足火箭回收時多次啟動需求地的同時實現了發(fā)動機整機無火工品，也提高了發(fā)動機貯存、運輸的便捷性。此外，發(fā)動機采用泵前搖擺方案，維護采用全氮氣，替代傳統(tǒng)氦氣，降低使用維護成本。

凌云發(fā)動機開始開發(fā)的時間不得而知，2018年4月24日，九州云箭宣布凌云發(fā)動機火炬點火系統(tǒng)已進行了數十次點火試驗，7月14日，凌云發(fā)動機副系統(tǒng)通過200s長程試車考核，驗證了燃氣發(fā)生器、火炬點火系統(tǒng)和低溫閥門的工作可靠性，11月完成推力調節(jié)系統(tǒng)的半實物仿真試驗，又在12月完成全尺寸推力室短程熱試車，驗證了推力室的流動傳熱特性和多工況下的工作可靠性。

2019年1月，凌云發(fā)動機渦輪泵完成低溫介質考核試驗，集齊了凌云發(fā)動機所需的全部主要組件齊套，5月完成總裝總測，7月完成多次整機20%~30%低推力熱試車試驗，驗證了燃燒裝置和渦輪泵的適應性，以及低箱壓狀態(tài)下渦輪泵啟動全程汽蝕狀態(tài)工作的適應性。隨后，九州云箭公司可能是意識到租用試車檔期不穩(wěn)定的其他單位試車臺無法滿足密集的發(fā)動機試驗需求，九州云箭開始在安徽蚌埠建設自己的試驗臺，該試驗臺擁有同規(guī)模雙工位布局，能夠滿足密集的試驗需求。2019年剩下的時間和2020年全年里，九州云箭主要精力集中在新試驗臺的建設上，凌云發(fā)動機研制暫停，沒有報道更多的試驗。直到2021年3月和4月，凌云發(fā)動機在九州云箭蚌埠的新試車臺上開始了密集試驗，先后進行了多次起動的40%推力試驗和38%~100%大范圍連續(xù)變推力試驗，首次驗證了全推力狀態(tài)的凌云發(fā)動機，并大幅提高了試驗時長。這是凌云發(fā)動機首次完成全狀態(tài)試驗。同年8月，凌云完成11噸推力500s的長程試車，推力調節(jié)范圍達30%~110%，累計數十次啟動，試車時間數千秒，11月，又完成兩輪搖擺試車。

2022年，凌云發(fā)動機開始開發(fā)真空版本，真空版本的凌云發(fā)動機是在原發(fā)動機基礎上提高噴管面積比實現的。到11月，真空版凌云發(fā)動機已經完成可靠性熱試車考核，實測真空推力12.5噸，比沖341s，三臺產品累計完成熱試車8000s，其中單臺累計熱試車時長最高達到5000s，單臺最多啟動次數30次，產品可靠性得到了充分驗證。

圖 7 凌云發(fā)動機完成38%~100%連續(xù)變推試驗圖片來源：九州云箭公司官網

龍云發(fā)動機的開發(fā)與凌云幾乎同步進行，該型號于2019年2月立項，在2019年9月的北京國際航展上正式發(fā)布。該發(fā)動機繼承了部分凌云的組件，采用與凌云相同的火炬點火系統(tǒng)，推力調節(jié)技術也是通用的。

2019年6月，龍云發(fā)動機完成燃氣發(fā)生器熱試車考核。隨后與凌云一樣在暫停一年多后也開始了密集的試驗。它于2021年4月完成了半系統(tǒng)試車考核，5月分別完成整機熱試車和三次啟動熱試車，6月完成50%推力的變推力熱試車和長程熱試車，進一步驗證了發(fā)動機可靠性。2022年3月，龍云發(fā)動機完成額定工況長程熱試車考核，額定推力達到677kN，比沖達到291s，7月完成系列可靠性熱試車。

目前看來，九州云箭的雙工位試車臺中一個工位以凌云發(fā)動機可靠性積累和真空版研制為主，另一個則為龍云發(fā)動機推力提升及可靠性測試專用工位。兩型發(fā)動機研制進度正在穩(wěn)步推進。

圖 8 龍云發(fā)動機完成系列可靠性熱試車圖片來源：九州云箭公司官網

宇航推進——滄龍系列

北京宇航推進科技有限公司成立于2018年8月，目標是成為全品種商業(yè)航天火箭發(fā)動機公司，正在開發(fā)滄龍一號、滄龍二號、滄龍三號液氧甲烷發(fā)動機，其中滄龍一號用于火箭一子級，能夠拓展為真空版，滄龍二號用于二子級，滄龍三號用于上面級，三型發(fā)動機參數如表 4所示，概念圖如圖 9所示。

表?4 滄龍系列參數

圖?9 蒼龍系列發(fā)動機概念圖（左：滄龍一號，中：滄龍二號，右：滄龍三號）圖片來源：宇航推進公司官網

據報道，2019年4月18日，滄龍一號的燃氣發(fā)生器和火炬式電點火器進行聯合點火試車，該次試車為燃氣發(fā)生器全工況點火，按照預定程序實現了點火起動、穩(wěn)定工作和關機，各項性能指標滿足設計要求，驗證了燃氣發(fā)生器設計方案和火炬式電點火器的工作可靠性。同年11月，進行了氣氧甲烷火炬點火系統(tǒng)試驗，點火啟動次數達33次，驗證了點火系統(tǒng)在30%~100%流量范圍內的工作可靠性，獲得了火炬點火器工作參數和流量調節(jié)特性，此外，同一時間該公司還交付了滄龍一號推力室全尺寸樣機并完成了推力室點火試驗。緊接著，11月底，滄龍二號推力室交付，2020年初，滄龍一號渦輪泵組件交付。

圖10 滄龍一號燃氣發(fā)生器和火炬點火器聯合點火試車圖片來源：宇航推進公司官網

圖 11 滄龍一號發(fā)動機推力室試車圖片來源：宇航推進公司官網

（作者更正：據宇航推進公司微信公眾號信息，該公司于2022年11月完成滄龍二號半系統(tǒng)試車，2023年1月完成全系統(tǒng)試車。作者在搜索資料時疏忽，遺漏部分進展，特此更正，深表歉意。）

翎客航天——風暴系列

北京翎客航天成立于2014年，是中國注冊時間較早的私人航天企業(yè)。然而，從公開報道來看，該公司早期內部構架不明確，因此未在火箭發(fā)射和發(fā)動機開發(fā)上傾注足夠精力，直到2019年5月，翎客航天管理層調整，更換了CEO，該公司之后才開始認真進行技術開發(fā)工作。

轉換更換管理層后，翎客航天首先開始了火箭垂直起降技術驗證工作，兩年后的2021年4月，該公司正式立項風暴-1液體火箭發(fā)動機。根據資料，該發(fā)動機為電動泵壓式發(fā)動機，采用液氧甲烷推進劑，海平面推力10kN，可多次啟動，擁有30%~100%變推力能力。同年11月，翎客航天在江蘇某地搭建了一個簡陋簡單的試驗裝置，完成風暴-1的全系統(tǒng)試車，兩天內完成3次不同推力工況下點火，驗證了電動泵壓式發(fā)動機系統(tǒng)設計技術、高速高壓低溫動密封技術、泵壓發(fā)動機啟動及關機時序、新型氣液噴注及燃燒穩(wěn)定性技術等多項關鍵技術。

圖 12 風暴-1發(fā)動機點火試驗照片圖片來源：翎客航天公司官網

2022年1月25日，翎客航天RLV-T6火箭完成全箭冷試。該火箭據稱搭載了風暴-1發(fā)動機，試驗中液氧泵和甲烷泵采用液氮介質，均正常工作。2022年9月28日，翎客航天在位于江陰的動力試驗基地02號工位完成風暴-5A液氧甲烷發(fā)動機全系統(tǒng)試車，據稱發(fā)動機工作穩(wěn)定，達到設計預期，試驗圓滿成功。

圖 13 風暴-5A發(fā)動機全系統(tǒng)試車圖片來源：翎客航天公司官網

總結

總體來看，中國商業(yè)航天公司液氧甲烷發(fā)動機研制格局與美國顯著不同，呈現“梯隊分布”局面：位于第一梯隊研制進度靠前的藍箭航天、九州云箭和星際榮耀三家單位已經進行了比較嚴肅全面的系列整機試車，其中藍箭航天的發(fā)動機已接近具備與搭載到火箭聯試上進行飛行試驗，但由于可靠性問題未能完全成功。另兩家則已經積累了相當的條件試車時長；第二梯隊研制進度靠后的宇航推進和翎客航天目前只完成了部分部件的研制，距離整機試車還有還有一段距離；而最后梯隊的是其他一些進行液氧甲烷發(fā)動機開發(fā)的商業(yè)航天公司，他們往往只有網站的宣傳頁，有時還盜用其他公司的圖片和視頻，其實際成就十分可疑。