? ? ? ?目前塞式構(gòu)型的發(fā)動機發(fā)展迅猛，它擁有比沖高、推力大等優(yōu)點，吸引國內(nèi)外許多試驗室都在對這個技術(shù)進行研究。我們冕巢航天在塞式構(gòu)型基礎(chǔ)上開發(fā)了軸塞式發(fā)動機，采用單燃燒室設(shè)計，在燃燒室內(nèi)安裝軸塞以使燃氣在噴口處匯集，形成推力，下面是我們冕巢航天在2020年進行軸塞式發(fā)動機靜態(tài)試車的畫面。

? ? ? 在前文中，我們簡單地和大家分享了我們關(guān)于行星發(fā)動機噴管部分的討論，但是我們對行星發(fā)動機的分析可不止于此，我們可是希望能夠讓大家都可以DIY，實現(xiàn)人手一臺行星發(fā)動機（bushi）。那在了解了行星發(fā)動機噴管部分后，接下來我們將給大家介紹一下關(guān)于行星發(fā)動機方向控制方面的知識，各位小板凳坐好，咱們簡單聊聊。

? ? ? ?為了提高行星發(fā)動機的運動自由度，實現(xiàn)地球在流浪過程中的靈活走位，如何實現(xiàn)射流噴氣方向可控，成為了急需解決的問題。在《流浪地球》中，韓朵朵坐上劉啟開的車，通過副駕的后視鏡看到車后方的一座行星發(fā)動機，可以看到那臺發(fā)動機不是朝著正上方工作的，而是帶著一定的傾角。

? ? ? ?眾所周知，地球是一個球體，那就意味著除非是位于流浪地球計劃中飛行方向的正后方的行星發(fā)動機需要垂直工作外，其他方位的行星發(fā)動機都需要一定角度的擺動來修正射流噴射方向，使得射流盡可能朝向后方射出，提供更高效率的推動力。當?shù)厍蛐枰M行一定機動動作的時候，如轉(zhuǎn)向或變軌，除了赤道上的行星發(fā)動機提供橫向推力外，還需要其他發(fā)動機做出相應(yīng)的運動來配合轉(zhuǎn)向。

? ? ? ? 那行星發(fā)動機采用的是怎樣的伺服結(jié)構(gòu)呢？

? ? ? ? 多個軸塞噴管集合在大噴管內(nèi)形成產(chǎn)生推力的推力室。通過電影的劇照和正式畫面，我們可以看到推力室外側(cè)有7根活動擺臂控制推力室的運動。依照前面的分析，這個活動擺臂正是位于推力室和重聚變反應(yīng)室之間，即說明伺服系統(tǒng)僅控制推力室運動調(diào)節(jié)噴射方向，而不是連帶反應(yīng)室進行運動——這就是目前最先進的“泵后擺”技術(shù)！

? ? ? ?截至2023年，世界上唯二掌握泵后擺技術(shù)的國家是俄羅斯和中國。西安航天動力研究所自主研究設(shè)計的中國首臺130噸級泵后擺液氧煤油發(fā)動機在2017年6月圓滿完成首次試車，使中國成為世界上第二個掌握泵后擺核心技術(shù)的國家，并在2022年12月完成第4次試車，累計試車2100秒！

? ? ? ?為什么這個泵后擺技術(shù)這么難呢？這還得從導(dǎo)彈的歷史說起。

? ? ? ?1942年10月13日，馮·布勞恩和羅伯特·多恩伯格經(jīng)過多次失敗，終于研發(fā)出了人類第一枚大型彈道式導(dǎo)彈——V2導(dǎo)彈，它采用酒精加液氧作為燃料組合，除了裝在箭體外的空氣舵外還采用了燃氣舵作為控制方向的結(jié)構(gòu)。燃氣舵裝在發(fā)動機噴管外，通過擺動舵面調(diào)整噴管出來的燃氣方向來實現(xiàn)機動控制。V2導(dǎo)彈用的是石墨作為燃氣舵。眾所周知石墨具有耐高溫、易加工的特性，而且成本低，這是應(yīng)用在高溫環(huán)境下極好的材料了，然而高速高溫的燃氣卻讓燃氣舵逐漸失去了信心，石墨質(zhì)地較軟，在燃氣的沖刷下燒蝕嚴重，導(dǎo)致舵效下降，這也是影響V2導(dǎo)彈精準度的原因之一。隨著冶金技術(shù)及材料科學的進步，可選擇的耐高溫耐高壓材料越來越豐富，促進飛行控制系統(tǒng)更加成熟可靠。因此，現(xiàn)在仍能看到燃氣舵出現(xiàn)在許多導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈或固體燃料火箭上，證明它依然是一名可靠的同志。

? ? ? ?盡管燃氣舵是一個很不錯的選擇，但是背后驅(qū)動多個燃氣舵的伺服系統(tǒng)帶來的重量讓工程師們不由得眉頭一皺，如果這個重量可以得到更好的控制那就可以進一步提高效率了。后來便出現(xiàn)了分級燃燒的概念，使得發(fā)動機矢量控制變得更加復(fù)雜了起來。人們開始在火箭發(fā)動機數(shù)量上做文章，比如采用主推力室加數(shù)臺游機的方案，由主發(fā)動機提供前進的推力，給小的游機裝上伺服器控制游機的擺動，直接明了地解決方向控制的問題，小小的游機產(chǎn)生的推力也在一定程度上彌補了伺服系統(tǒng)的重量。

? ?? ? 但是火箭上寸土寸金，更多的游機代表發(fā)動機動力系統(tǒng)更加復(fù)雜，空間利用率也會大幅度降低。于是人們開始把伺服系統(tǒng)安裝在發(fā)動機上，出現(xiàn)了現(xiàn)代主流的“擺后泵”發(fā)動機技術(shù)。擺后泵技術(shù)不需要額外增加游機，燃料貯存箱和發(fā)動機燃氣泵進口采用軟管或軟關(guān)節(jié)進行連接，通過伸縮桿伸縮或連桿運動控制整個發(fā)動機運動，減少了復(fù)雜的游機燃料供給系統(tǒng)及游機本身的重量，換來一副敏捷的伺服系統(tǒng)，即可達到控制飛行器飛行方向的目的。

? ? ? ? 然而驅(qū)動整個發(fā)動機運動需要的能量是巨大的，那就意味著伺服系統(tǒng)不能設(shè)計得過于單薄，要有足夠的強度和動力，隨之而來的是相應(yīng)增加的重量。設(shè)計師在追求完美方面可以說是喪心病狂，他們拼命地去研究怎樣才可以把發(fā)動機伺服系統(tǒng)做得更完善。于是他們發(fā)現(xiàn)，如果只需要控制推力室擺動，那就不需要這么大的力量去驅(qū)動了，降低伺服系統(tǒng)的力量要求，還可以降低伺服系統(tǒng)的行程，這就意味著還可以降低伺服系統(tǒng)的重量！于是，蘇聯(lián)的工程師們推出了他們的泵后擺富氧補燃循環(huán)發(fā)動機——RD-170。

? ? ? 蘇聯(lián)在強大的RD-170基礎(chǔ)上還延伸開發(fā)了RD171和RD-180等眾多型號，其中RD-180還大量出口給美國以滿足他們的大推力運載火箭需求，如“宇宙神5”運載火箭的芯一級。RD-180發(fā)動機繼承了RD-170的泵后擺技術(shù)，使得尾噴管的擺角可以達到8°,很好地滿足矢量控制要求。只需一千萬到兩千五百萬美元就可以買到這款經(jīng)過市場認證的穩(wěn)定可靠、推力達到3827千牛、比沖3052米/秒、NASA用了都說好的RD-180發(fā)動機，還要買什么自行車呢。（等spaceX起來后，可能會猶豫一下再選擇）

?? ?? ?自RD-170搞出來后，分級循環(huán)的發(fā)動機在泵后擺技術(shù)上停滯了數(shù)十年的時間，這背后原因不乏毛子對外的技術(shù)封鎖。直到2017年我國泵后擺發(fā)動機的試車成功，意味著我國科研人員通過自主研發(fā)打破了發(fā)動機技術(shù)的封鎖，邁向更大推力發(fā)動機的研發(fā)道路。

? ? ? ?由此可見，泵后擺技術(shù)在當下對大部分國家來說都是非常有難度的，到了《流浪地球》中，應(yīng)該是集合了全球科研力量才得以攻克該技術(shù)難點，采用泵后擺技術(shù)解決行星發(fā)動機矢量控制的問題。行星發(fā)動機體積巨大，整體都具有活動的能力是不現(xiàn)實的，若連帶前面的預(yù)變反應(yīng)堆一起運動則需要更大的伺服系統(tǒng)才能驅(qū)動，還需占用大量的地下空間以供反應(yīng)堆運動，而直接讓推力室運動起來的難度就降低許多了。我們可以從流浪地球官方和MOREVFX放出的行星發(fā)動機圖中看到，推力外圍有7個擺臂結(jié)構(gòu)的伺服臂，每個伺服臂內(nèi)側(cè)還有著液壓桿，提供支撐打開的推力。

? ? ? ? 當行星發(fā)動機的射流需要朝某個角度傾斜時，相反朝向的擺臂就會支撐開來，把推力室一側(cè)抬起朝對應(yīng)角度傾斜，到了指定角度后就會鎖死固定，即使發(fā)動機巨大的推力，也不會產(chǎn)生動搖。這也是泵后擺結(jié)構(gòu)的好處，只需要較小的扭矩即可達到大推力發(fā)動機矢量控制的要求。

? ? ? ?現(xiàn)在塞式構(gòu)型發(fā)動機的矢量控制大都依照上一篇《【巢話】如何成為朋友眼中的行星發(fā)動機專家》中的描述來進行。由于現(xiàn)在的塞式構(gòu)型發(fā)動機更多是獨立應(yīng)用在飛行器上，不是多個串聯(lián)成一個整體，所以單獨控制即可滿足需求。

? ? ? ?我們團隊在設(shè)計軸塞式發(fā)動機時也考慮到了該結(jié)構(gòu)下發(fā)動機如何進行矢量控制的問題。軸塞式發(fā)動機的軸塞為可活動結(jié)構(gòu)，需要向軸向方向產(chǎn)生推力時，我們的軸塞保持在噴管的正中央，使得燃氣可以均勻地從環(huán)形的喉部噴涌出來，在我們需要產(chǎn)生轉(zhuǎn)向的推力時，控制軸塞向?qū)?yīng)方向進行偏移，壓縮對應(yīng)方向的燃氣出口面積并使得另一側(cè)的燃氣出口面積變大，讓燃氣以非對稱的形式產(chǎn)生不對稱的推力并形成偏轉(zhuǎn)力矩，使飛行器轉(zhuǎn)向。

? ? ?? 經(jīng)過比對現(xiàn)有的各種伺服系統(tǒng)和矢量控制方法，我們暫時還沒找到一個讓我們各方面都很滿意的結(jié)構(gòu)，于是我們針對軸塞式發(fā)動機進行了更深入的研究，最終一個瘋狂而高效方法出現(xiàn)在我們的腦海里——杠桿結(jié)構(gòu)。

? ? ? ?我們在球形的軸塞頂端做一根延伸桿，貫穿發(fā)動機燃燒室的頂端，并在后端與伺服系統(tǒng)連接，由伺服系統(tǒng)推動延伸桿運動，使噴管一側(cè)的軸塞做出對應(yīng)的運動。在這個瘋狂方案的背后有著許多令人難以解決的難題，如：如何保證延伸桿的孔在極高壓的燃燒室中保持密封同時保證延伸桿活動能力不受影響、如何解決發(fā)動機燃氣的過高溫度對軸塞帶來的破壞等等。而這些問題我們目前都找到了解決方案，并進行了大量的試車以論證我們的軸塞式發(fā)動機的可行性。

? ? ? ?在本篇文章里，我們簡單地給大家分享了對行星發(fā)動機的矢量控制結(jié)構(gòu)的推敲，感謝大家對我們的支持！如果有不準確的地方歡迎大家批評指正。如果大家在閱讀過程中產(chǎn)生任何疑問也歡迎給我們留言，我們將盡量為大家解答。

作者：Leon

校對：Helen、何敏瀅