2023年8月深藍航天液體運載火箭“星云-1”配套的液氧煤油發(fā)動機“雷霆-R1”，取得了全飛行時序三次起動整機試車的圓滿成功。該次試車全面覆蓋了“星云-1”運載火箭入軌+一子級回收的全飛行剖面。

本次試車中，“雷霆-R1”發(fā)動機在地面試車臺上，按照“星云-1”回收復用運載火箭一子級設定的飛行彈道，進行了完整過程的點火?！靶窃?1”回收火箭的飛行彈道，相比于2023年4月19日SpaceX公司發(fā)射獵鷹九號某典型任務剖面，時間上是基本相似的，細微差別在于起飛點火工作時間更長（180s VS 150s）、再入點火工作時間稍長（30s VS 24s）。這一試驗的成功，標志著“雷霆-R1”發(fā)動機已經初步具備了完成運載火箭一子級回收飛行任務的能力，是回收火箭研制中的關鍵性里程碑。

液體火箭發(fā)動機多次起動的技術難點

“雷霆-R1”是深藍航天首款運載火箭“星云-1”的主動力發(fā)動機，采用了液氧煤油推進劑組合，具有推力平滑調節(jié)、結構簡單可靠、無毒無污染、低成本等優(yōu)點。該發(fā)動機從設計之初，部組件方案及總體布局就按照可回收并重復使用多次起動的要求進行設計。

液體火箭發(fā)動機多次起動是一項具有很高難度、綜合性很強的發(fā)動機系統(tǒng)技術，包含了一系列關鍵技術點，只有包括中國在內的少數國家能夠掌握?！袄做?R1”發(fā)動機全飛行時序三次起動整機試車，標志著在回收復用的液體發(fā)動機方面，具有完全自主知識產權的多項關鍵技術從原理和設計走向產品應用。

1、多次起動系統(tǒng)設計

多次起動發(fā)動機工作過程和時序控制，與一次性使用發(fā)動機有顯著區(qū)別

液體發(fā)動機第一次工作之前，各個液體閥門還沒有打開工作、推進劑沒有灌注，發(fā)動機內部處于“干”狀態(tài)；發(fā)動機第一次工作后，管路和各組件中留有殘存的推進劑，可能給管路、冷卻夾套與噴嘴的工作狀態(tài)帶來影響，影響發(fā)動機的點火和正常工作。為避開這個問題，要在第一次起動工作后，對發(fā)動機設計合理的自動吹除時序，把殘存推進劑清除干凈。

對于液氧煤油推進劑的低溫火箭發(fā)動機，除第一次工作結束后要進行吹除外，第二次起動前還要先吹除和預冷。因此，為了精確達到飛行時序對發(fā)動機起動時間的要求，對于預冷、吹除流程及時間的控制，需要精確進行設計，并進行大量的驗證工作。

深藍航天本輪開展的發(fā)動機長、短程三次起動試車，全面考核了發(fā)動機多次起動過程設計的正確性，全面驗證了發(fā)動機多次起動的工作時序。下一步還將對時序拉偏進行進一步考核，以增加發(fā)動機工作的裕度和魯棒性。

多次起動需要對發(fā)動機進行更復雜的狀態(tài)控制

多次起動工況下，由于發(fā)動機尚有前一次點火工作的影響，部分組件的初始溫度會發(fā)生變化，點火延遲期間和點火能量也會變化。例如發(fā)動機的渦輪泵、推力室部分在第一次起動前基本為常溫，但第二次起動時由于上一次工作的影響會存在較高的溫度，需要解決渦輪熱起動、推力室熱反浸帶來的影響問題。

因此，發(fā)動機多次起動需要對發(fā)動機的狀態(tài)進行更多的控制，包括預冷和熱控、起動條件保障和起動過程控制等。通過針對多次起動特殊設計的控制手段，可實現再入返回、著陸點火過程高效的氧系統(tǒng)預冷、發(fā)動機內腔吹除等，保障再次點火前發(fā)動機狀態(tài)滿足點火條件。

除了系統(tǒng)工作過程和時序的控制之外，發(fā)動機的所有組件都必須按照多次起動和重復使用的要求來進行設計

例如發(fā)動機上所有閥門均可多次重復工作，不能采用一次使用發(fā)動機常用的電爆閥、破裂膜片控制元件等；渦輪泵的動密封組件等也必須考慮多次起動的要求，并能夠承受短時多次起動帶來的載荷沖擊和熱沖擊等。

深藍航天本輪多次起動試驗，考核了發(fā)動機在模擬真實飛行狀態(tài)下的功能、性能，全面驗證了發(fā)動機各組件對多次起動工況的適應性；獲取了發(fā)動機多次起動間的狀態(tài)數據，為飛行試驗提供數據支撐。下一步還將繼續(xù)進行更多的可靠性考核，確保發(fā)動機產品的穩(wěn)定可靠。

面向實際飛行的多次起動設計

液體發(fā)動機想要在地面上實現多次起動，可以借助地面試驗臺的能力，而不用考慮體積、重量等約束。例如起動用的起動能源、吹除用氣體等。由于箭上的空間和重量非常有限，不可能為發(fā)動機提供過多的氣體資源保障，因此重復使用發(fā)動機需要非常精細地設計這些因素，否則就會變得過大、過重而導致“上天困難”。

“雷霆-R1”發(fā)動機起動技術經過二次起動考核后進一步迭代升級，本次試驗所用起動系統(tǒng)完全布置在發(fā)動機的總裝機架上，發(fā)動機起動、控制和吹除用氣完全由發(fā)動機提供，產品狀態(tài)與箭上飛行狀態(tài)一致。試驗結果表明，當前“雷霆-R1”發(fā)動機的起動系統(tǒng)，可很好地滿足發(fā)動機在“星云-1”火箭上的多次起動使用需求。

2、多次起動點火系統(tǒng)精準設計

實現液體火箭發(fā)動機重復使用必須克服多次點火的難題?？煽奎c火是液氧煤油發(fā)動機的一個核心技術難題。傳統(tǒng)火箭只需要發(fā)動機在火箭發(fā)射時點火，而可重復使用運載火箭需要發(fā)動機在一子級回收過程中多次點火。由于液氧煤油為非自燃推進劑，推力室和燃氣發(fā)生器均需要點火，多次起動的發(fā)動機必須構建新的點火系統(tǒng)。

液體發(fā)動機點火是在燃燒室內部完成的，但點火裝置卻需要布置在燃燒室的外部。。為導入點火能量，對燃燒室設計接口需謹慎、周全。發(fā)動機燃燒室工作將產生巨大振動、3600多度的高溫、近100倍大氣壓的壓力，這些振動和高溫條件對連接和結構件設計都有很高的要求，因此點火裝置必須牢固且不能破壞燃燒室的結構強度及冷卻設計，更不能在燃燒過程中因為該接口的存在，導致高溫高壓燃氣泄漏并發(fā)生損壞。

一次性使用發(fā)動機使用的點火裝置不需要耐受上述環(huán)境，而多次起動發(fā)動機的點火裝置在第一次點火之后，需要承受上述環(huán)境若干次后，仍須保證裝置壽命周期內百分之百的可靠。這就給點火系統(tǒng)的設計帶來了全新的挑戰(zhàn)。

為保障再次點火工作的可靠性，“雷霆-R1”發(fā)動機配置了非火工品的多次點火裝置，該點火裝置的能力不受限制、可以實現幾乎無限次的點火能力。后續(xù)可根據運載火箭功能需要，具備進一步增加冗余點火功能，滿足可靠精準點火的需求。

3、多次起動的初始能源

開式液氧煤油發(fā)動機的起動一般需要借助外部能源，才能將發(fā)動機起動起來。一次性使用的開式循環(huán)發(fā)動機，目前國內的主流途徑大都采用火藥起動器。其原理是在發(fā)動機起動時先用電起爆器點燃一個“小固體火箭發(fā)動機”，其火藥柱燃燒產生高溫高壓的燃氣，推動液體發(fā)動機的渦輪旋轉到預定工況，從而起動發(fā)動機。這種“小固體火箭發(fā)動機”被稱為火藥起動器。但是，多次起動的發(fā)動機若采用這種方式，便需要配備多個火藥起動器裝置，會造成：

1）結構設計上難以布置；

2）首次點火后用于二次起動的火藥起動器出口要隔絕發(fā)生器內高溫高壓燃氣；

3）火藥起動器價格昂貴，因為屬于火工品，生產管理貯存要求又極其特殊嚴格。

因此用傳統(tǒng)的火藥起動器提供多次起動的能源，難以實現真正的商業(yè)應用，既不經濟技術上也存在風險。

因此，必須面向重復使用的需求，開發(fā)新的起動模式；既能夠達到可靠起動的目的，又能夠滿足上天飛行的經濟性、便捷性的要求。

為滿足多次起動的要求，“雷霆-R1”采用了高壓氣瓶助力+自身起動的起動方式，使得起動裝置即具有自身起動結構簡單的優(yōu)點，又通過一定的外部能源助力大大縮短了發(fā)動機起動時間。深藍航天通過數十次發(fā)動機起動試驗，優(yōu)化了發(fā)動機的起動過程，大幅提升了起動過程的一致性和可靠性、縮短了起動的時間。當前，發(fā)動機點火起動時間（達到穩(wěn)態(tài)推力90%時間）僅為2秒左右，并且起動重復性、一致性良好。

4、回收火箭結構布局緊湊

對于回收火箭，發(fā)動機艙一般布置多臺發(fā)動機，發(fā)動機的裝填密度很大，結構緊湊簡單也是一項非常重要的指標，否則無法滿足火箭的使用要求。

“雷霆-R1”改進狀態(tài)的發(fā)動機采用了泵后擺方案，使發(fā)動機在飛行過程中僅搖擺推力室部分就可實現推力矢量調節(jié)，相比傳統(tǒng)發(fā)動機整體搖擺方案，搖擺力矩大幅減小、提高了發(fā)動機搖擺一階頻率，進一步提高了發(fā)動機搖擺工作可靠性。

同時，相比同類型的開式發(fā)動機，泵后擺發(fā)動機結構布局更為緊湊、簡潔，同時通過優(yōu)化布局多次起動組件，使發(fā)動機結構緊湊、包絡尺寸減小，可實現在3.35米箭徑內布局9臺發(fā)動機，大幅提高火箭在給定箭體直徑內可以產生的推力，為重復使用技術應用提供了重要的結構基礎。

5、滿足可重復使用要求的液發(fā)增材制造

液體火箭發(fā)動機工作在高溫、高壓、大振動的惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)發(fā)動機均按一次性使用設計?！袄做?R1”發(fā)動機提出了重復使用20次以上的目標，部組件及結構布局方案均按重復使用需求開展設計。

在制造工藝上，發(fā)動機的主要組件采用了全3D打印增材制造。因此，“雷霆-R1”也成為了國內首個經歷火箭垂直回收全彈道剖面地面考核的3D打印發(fā)動機。在本輪試車過程中，發(fā)動機經過10次以上的發(fā)動機不下臺熱試車、幾十次起動/關機測試和點火試驗，初步證明了3D打印工藝能夠滿足可重復使用的需求。單臺發(fā)動機累計不下臺點火次數達到10次，累計時長已達到1000多秒。

除滿足多次起動和重復使用的功能性要求，通過地面熱試車驗證，也考核了發(fā)動機結構件及制造工藝方面可以滿足重復使用的要求；達到液體發(fā)動機不僅“能試”，更要“皮實、耐用”的效果。

2022年，美國相對論空間公司的“人族”火箭，采用了全增材制造工藝進行制造，并進行了嘗試入軌飛行；該項目將增材制造在Aeon發(fā)動機中應用的成熟度提高到了新的高度，證明了該工藝在航天飛行產品上的適用性。在國內，以深藍航天“雷霆-R1”發(fā)動機為代表的新發(fā)動機產品，在3D打印新工藝用于液體發(fā)動機制造方面做了開拓性工作。下一步，還需要經歷真實火箭任務，進行上天飛行驗證。

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背景資料：液體火箭發(fā)動機的點火和起動

垂直回收的可重復使用運載火箭在飛行中一般重新點火起動2～3次，這就要求發(fā)動機具備多次起動能力。

液體火箭發(fā)動機多次起動技術是一系列子技術的總和，也是火箭發(fā)動機可重復使用的關鍵技術，其中主要的兩個方面包括發(fā)動機的起動能源和點火。

發(fā)動機的起動能源

發(fā)動機起動方式一般分為“外部能源起動”和“自身起動”兩種方式。

1、外部能源起動

外部能源起動，顧名思義，指的是發(fā)動機需要借助外部力量進行起動；一般采用燃氣發(fā)生器循環(huán)的發(fā)動機常使用外部能源起動。舉個例子，這與早期的柴油內燃機、汽油內燃機的起動采取人力手搖原理是一樣的，即發(fā)動機起動需要借助外力進入工作循環(huán)，活塞內燃機隨著曲軸的轉動進入吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，對于火箭發(fā)動機需要借助外力使得渦輪泵轉軸達到一定轉速。類似早期手搖式拖拉機的工作方式。

對于小型內燃機這樣的熱力機械，可以依靠人力實現起動（隨著科技進步，現在內燃機大都配備電動起動機，無需手搖了），而液體火箭發(fā)動機這樣能量密度巨大的熱力機械，無論如何是不可能靠人力完成的，那么和汽車一樣使用電動起動機呢？基本也不靠譜，這是因為液體火箭發(fā)動機的起動功率太大，需要配備很大的電機和電池，并且造成結構設計非常復雜，根本不可能在火箭上使用。

實際上，傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機的起動外能源一直借助于火藥起動器、高壓氣瓶等特種裝置。火藥起動器是由火藥柱、殼體、點火裝置組成的，發(fā)動機起動時火藥柱燃燒產生的高能燃氣驅動渦輪轉動，使發(fā)動機起動。若采用火藥起動器，當發(fā)動機需要多次起動時，便需要配備多個火藥起動器，這常常造成結構設計上的不便，并且火藥起動器價格昂貴，生產管理貯存要求又極其特殊嚴格。此外，采用火藥起動器的發(fā)動機，一般僅做到能夠2次起動，用火藥起動器實現多次起動的非常少，因為既不經濟也不劃算。

所以，高壓氣瓶起動成為了目前技術趨勢，高壓氣瓶內一般充裝氦氣等介質，當發(fā)動機起動時，高壓氣瓶對渦輪吹氣，強大的氣流使得渦輪泵旋轉，當發(fā)動機多次起動時，高壓氣瓶再次對渦輪吹氣，此時工程師在設計時要考慮攜帶充足的高壓氣體，或者針對每次起動有針對性地精細設計時序。

采用火藥起動器起動的典型發(fā)動機有歐洲的HM-7發(fā)動機、Vulcain火神發(fā)動機，采用高壓氣瓶起動的典型的發(fā)動機有美國的J-2發(fā)動機、梅林1D發(fā)動機。

2、自身起動

自身起動，顧名思義是指發(fā)動機起動不依靠外來能源而依靠自身能源，這里的“自身能源”指的是發(fā)動機利用火箭貯箱壓頭實現推進劑點火或推進劑吸熱而產生的能量。

膨脹循環(huán)發(fā)動機的起動方式即為自身起動，低溫燃料在推力室夾套內吸熱汽化對渦輪做功。大推力的補燃循環(huán)發(fā)動機，也常采用自身起動方式；工程師們對發(fā)動機的起動過程精心設計，使得發(fā)動機能夠安全可靠地從起動點火過渡至額定工況。

典型的膨脹循環(huán)發(fā)動機有美國的RL-10、歐洲的Vinci；典型的補燃循環(huán)發(fā)動機有美國的航天飛機主發(fā)動機、俄羅斯的RD-170\180等。較為特殊的是美國用于載人登月的土星5號火箭主發(fā)動機F-1，其采用燃氣發(fā)生器循環(huán)方式，也采用了自身起動方式。由于不需要額外攜帶能源，經濟上和重量上都比較節(jié)省，自身起動更適合于發(fā)動機的多次重復起動。但僅僅依靠自身起動的發(fā)動機，往往存在發(fā)動機起動過程相對時間較長的缺點。

發(fā)動機的點火方式

液體發(fā)動機的點火是很復雜的，主要原因在于燃料、氧化劑兩種液體必須先經歷輸送、加溫、霧化、混合等一系列流程后，才能被點燃；如果混合比例不正確、霧化不充分、點火不及時，都會導致點火失敗，甚至引起爆炸。需要多次起動的發(fā)動機要具備可重復點火系統(tǒng)，少量的次數可考慮使用藥柱或者點火導管等方式來實施；若需超過3次的點火能力的發(fā)動機，宜考慮采用火炬點火、電點火等方式來實現，以減少發(fā)動機總裝結構的復雜性，降低系統(tǒng)工作難度。

目前主流的液體火箭發(fā)動機點火方式有以下幾種（不包括有毒自燃推進劑發(fā)動機）。

1、化學點火劑點火

化學點火劑點火是指使用某種能與燃料或氧化劑自燃的化學劑引燃燃燒室。常用的一種能與液氧接觸即燃燒的是三乙基鋁-三乙基硼（TEA- TEB）混合化學劑，TEA- TEB通常存儲在燃燒室前燃料管路上的點火導管內，用膜片密封。液氧煤油發(fā)動機在起動時，在壓力作用下，膜片破裂，TEA- TEB首先進入燃燒室與氧化劑自燃點火，利用TEA- TEB和氧化劑的燃燒熱量使隨后進入的主燃料與氧化劑點火燃燒。

這樣的點火方式可以實現單次點火，美國土星5的F-1發(fā)動機推力室、蘇聯(lián)的RD-170等液氧煤油發(fā)動機均采用這種方式點火。發(fā)動機若要多次點火起動，則可以將一次性使用的點火導管設計為可多次重復灌裝使用的點火裝置，比如SpaceX公司獵鷹火箭的液氧煤油梅林-1D發(fā)動機采用了可靠的TEA-TEB加注控制實現了回收時的多次點火。

2、固體火藥點火

固體火藥點火器由電爆管、引火藥、點火藥盒組成，先用小的電流點燃電爆管、再由電爆管點燃引火藥，最后點燃液體推進劑。點火器可以安裝在推力室噴注器附近。比如歐洲的HM-7發(fā)動機、HM60發(fā)動機、Vulcain火神發(fā)動機均采用固體火藥點火。

當發(fā)動機進行多次起動點火時，需要安裝多個固體火藥點火器，這常常帶來結構設計上的不便；同火藥起動器一樣，火藥點火器也有苛刻的安全管理要求，以及高昂的價格。因此，電火花點火和火炬點火逐漸成為商業(yè)航天偏愛的方法。

電火花點火，與汽車發(fā)動機的火花塞點火，家用燃氣爐灶、一次性打火機等點火方式類似，采用電激勵器產生的電火花點燃周圍霧化的推進劑。這種點火方式最初存在的主要缺點是可靠性較低，由于電火花的點火能量低，點火失敗后可能導致推進劑積累而引起爆炸。對這種方式加以改良后，就出現了更可靠穩(wěn)定的火炬式電點火器。

火炬式電點火器實際上就是一個微型燃燒室，將少量推進劑導入其中，并用電火花點燃，火炬點火器出口形成一股穩(wěn)定火焰，保證主燃燒室的推進劑被可靠引燃。采用火炬式電點火器的有美國的J-2發(fā)動機、航天飛機主發(fā)動機、半人馬座RL-10發(fā)動機，俄羅斯的RD-0120發(fā)動機，以及日本的LE系列發(fā)動機。

火炬式電點火器非常適用于需要多次起動的發(fā)動機，理論上可以實現無限多次點火，且不需要拆裝更換零件。