本文轉(zhuǎn)載自上?？臻g推進(jìn)研究所公眾號空天動力瞭望 原作者黃浩然?

1、概述

液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)具有無毒環(huán)保、高比沖、低成本、易于重復(fù)使用等特點，并且有在外星原位生產(chǎn)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(jī)技術(shù)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(jìn)，世界各個國家和地區(qū)涌現(xiàn)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(jī)研制進(jìn)展進(jìn)行一些梳理，以饗讀者。

目前來說美國的液氧甲烷發(fā)動機(jī)技術(shù)是全世界最先進(jìn)的，例如，SpaceX公司的猛禽發(fā)動機(jī)已經(jīng)完成了10km高空跳躍試驗，即將進(jìn)行軌道試驗；Blue Origin公司的BE-4發(fā)動機(jī)已完成熱試車，即將安裝到火神半人馬火箭上進(jìn)行聯(lián)試。本系列第一篇文章介紹美國液氧甲烷發(fā)動機(jī)研制進(jìn)展。

2、SpaceX公司? ? ? ? ? ? ? ——猛禽發(fā)動機(jī)

猛禽（Raptor）是美國SpaceX公司正在研發(fā)的一個液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)型號系列，計劃作為星艦（Starship）和超重型助推器（Super Heavy booster）的主動力。猛禽發(fā)動機(jī)是世界上第一款實用化的全流量分級燃燒火箭發(fā)動機(jī)，亦是世界上第一款實用化的大推力液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)，從公開報道得到的信息來看，該系列發(fā)動機(jī)共有三個版本，分別為猛禽-1（Raptor-1）、猛禽-2（Raptor-2）和猛禽真空版（Raptor vacuum），其中猛禽-1和猛禽-2計劃作為火箭主級使用，猛禽真空版計劃作為上面級在真空和大氣稀薄的火星表面使用。三個型號的具體參數(shù)如表 1所示：

圖 1 猛禽-1發(fā)動機(jī)照片

圖 2 全流量分級燃燒循環(huán)示意圖

猛禽發(fā)動機(jī)采用溫度接近冰點的過冷態(tài)甲烷和液氧作為推進(jìn)劑，這樣的推進(jìn)劑溫度更低，密度更高，節(jié)省貯箱空間，同時也提高了發(fā)動機(jī)性能，使比沖增加，渦輪泵每單位功率泵送的推進(jìn)劑流量也加大，并減少了渦輪葉片汽蝕的風(fēng)險。但是，精確控溫的推進(jìn)劑對推進(jìn)劑地面儲存設(shè)備、加注設(shè)備提出了更高的要求，同時也非?？简灮鸺A箱的熱設(shè)計和熱管理系統(tǒng)，要求十分精湛的設(shè)計技術(shù)和透徹的事先試驗摸底。

猛禽發(fā)動機(jī)采用火炬點火器點火，而火炬點火器由雙冗余的電火花點火器點燃，這使猛禽避免使用梅林系列上采用的TEA-TEB（三乙基鋁/三乙基硼烷）火藥點火裝置，從而能夠?qū)崿F(xiàn)理論上無限次的重復(fù)啟動。在噴注器方面，猛禽采用同軸渦流噴注器，而不是梅林系列的針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，這是為了方便噴注器采用3D打印工藝制造，節(jié)約成本并加快開發(fā)速度。除了噴注器以外，大量其他部件也采用3D打印制造，據(jù)報道，2016年試車的縮比發(fā)動機(jī)中有至少40%的部件是3D打印制造的，甚至還包括渦輪泵的一些組件。

猛禽發(fā)動機(jī)2009年立項，最早原本打算采用液氧液氫推進(jìn)劑，但2012年11月SpaceX的CEO馬斯克宣布，考慮到在火星上原位制造推進(jìn)劑的可能性，猛禽將采用液氧甲烷推進(jìn)劑。2013年10月，SpaceX宣布將對斯坦尼斯航天中心的試驗臺進(jìn)行改造，使之支持液甲烷和氣甲烷發(fā)動機(jī)試驗，并在2014年4月完成了升級，并進(jìn)行了噴注器的試驗，2015年完成了全尺寸氧預(yù)燃室試驗。從2015年4月到8月，共對預(yù)燃室進(jìn)行了76次熱試，總試驗時間達(dá)400s。

2015年之前，猛禽發(fā)動機(jī)的研發(fā)全靠SpaceX公司自己的投資完成。2016年1月，美國空軍對液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)表示出興趣，認(rèn)為這是兩小時全球到達(dá)運載系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，因此提供了3360萬美元支持可重復(fù)使用猛禽發(fā)動機(jī)原型版本的研發(fā)，SpaceX隨即在德克薩斯州中部的麥格雷戈試驗場建造了一個新的發(fā)動機(jī)試驗臺。在這之后，猛禽發(fā)動機(jī)的研制開始加速。

2016年8月8日，加利福尼亞霍桑工廠制造的第一臺猛禽火箭發(fā)動機(jī)運抵麥格雷戈試驗場并于9月26日凌晨3點進(jìn)行了點火試驗。由于全流量分級燃燒循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜度較高，子系統(tǒng)相互之間高度關(guān)聯(lián)，很難將每個子系統(tǒng)或部件（如渦輪泵、燃燒室、噴注器）單獨拿出來進(jìn)行試驗，而一般的地面試驗臺無法滿足全尺寸猛禽發(fā)動機(jī)的試驗需求，因此這次試驗中測試了一個1MN的縮比發(fā)動機(jī)，這臺原型發(fā)動機(jī)成為RD-270（采用有毒推進(jìn)劑）之后第三臺經(jīng)過試驗的采用全流量分級燃燒循環(huán)的火箭發(fā)動機(jī)。據(jù)報道，發(fā)動機(jī)的渦輪泵產(chǎn)生了27MW功率，總計進(jìn)行了9s的點火試驗。

到2017年9月，猛禽-1的原型已經(jīng)進(jìn)行了42次整機(jī)測試，積累了1200s的點火時長，其中最長單次點火時間是100s，該時間長度并非發(fā)動機(jī)本身的極限，而是地面試驗臺推進(jìn)劑貯箱容量僅能支持這么長時間。這些試驗中猛禽發(fā)動機(jī)的室壓被限制在20MPa，在后續(xù)的試驗中才提升到25MPa。此外，試驗中還測試了SX500合金，該合金具有很高的抗氧化性能，被用來制造氧渦輪泵葉片。大約在2018年年中，SpaceX發(fā)布參數(shù)稱，海平面版猛禽噴管出口直徑1.3m，海平面推力1700kN，比沖330s，這些參數(shù)與公開資料中猛禽-1的參數(shù)接近，可以推測，大約在這個時間點附近，猛禽-1初步定型。2020年8月18日，猛禽-1發(fā)動機(jī)在試驗中達(dá)到了33MPa的室壓，刷新了火箭發(fā)動機(jī)燃燒室壓力記錄。

猛禽-2是猛禽-1的進(jìn)階替代版本，也可以看做猛禽系列的定型版。與梅林系列相似，猛禽發(fā)動機(jī)的研發(fā)可能也是數(shù)個方案異步同時進(jìn)行的，猛禽-2的開發(fā)在猛禽-1進(jìn)行試驗時即開始，并且明顯吸收了猛禽-1的試驗結(jié)果。猛禽-2在猛禽-1的基礎(chǔ)上對渦輪機(jī)械、燃燒室、噴管和電子設(shè)備都進(jìn)行了重新設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，猛禽-2移除了大量管道和傳感器，刪除了一些零件并將許多活連接轉(zhuǎn)為焊接連接，此后不再頻繁拆換，進(jìn)一步減少了發(fā)動機(jī)重量。此外，猛禽-2略微擴(kuò)大了喉部面積，為此導(dǎo)致噴管面積比降低，海平面比沖下降了3s，但允許更多燃?xì)饬鬟^喉部從而提高推力。

2019年9月，SpaceX表示，他們計劃星艦第二級上的三個“海平面狀態(tài)”發(fā)動機(jī)和第一級上所有發(fā)動機(jī)采用猛禽-2發(fā)動機(jī)，2021年12月18日，馬斯克宣布猛禽-2開始生產(chǎn)，它的推力將超過2300kN。在2022年2月10日的星艦更新中，馬斯克展示了猛禽-2的性能，以及它是如何簡化設(shè)計并獲得比原始猛禽-1更強大的推力的，一般認(rèn)為在這時猛禽-1逐漸停產(chǎn)，庫存的發(fā)動機(jī)在自然使用消耗后不再新生產(chǎn)，因此，猛禽-2估計是在2021年年中定型的，在2022年2月，其量產(chǎn)的生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到每周5臺，2022年3月30日，猛禽-2已經(jīng)開始批量生產(chǎn)并交付給用于軌道測試的星艦使用。到2022年7月29日，最新一個交付的猛禽-2發(fā)動機(jī)編號已經(jīng)達(dá)到SN-120，意味著這已經(jīng)是第120臺猛禽發(fā)動機(jī)。然而，猛禽-2的性能仍在持續(xù)改進(jìn)中，2022年2月，猛禽-2的推力達(dá)到了2300kN，2022年6月，馬斯克在推特上聲稱，猛禽-2推力達(dá)到2500kN也是可以實現(xiàn)的。目前，猛禽-2仍在持續(xù)改進(jìn)中，SpaceX計劃移除發(fā)動機(jī)上所有的法蘭結(jié)構(gòu)來減輕發(fā)動機(jī)重量。此外，他們還在研究取消喉部液膜冷卻結(jié)構(gòu)并降低頭部參與液膜冷卻噴注燃料的比例以進(jìn)一步提高性能。

圖 3 猛禽-1和猛禽-2性能對比

圖 4 猛禽發(fā)動機(jī)試車照片

猛禽發(fā)動機(jī)先后宣布在三個型號的運載火箭上使用，先后是2016年提出的行星際運輸系統(tǒng)（Interplanetary Transport System，ITS），2017年提出的大獵鷹火箭（Big Falcon Rocket，BFR）和2018年提出的星艦（Starship），這三個型號的火箭實際上是繼承關(guān)系。

在猛禽發(fā)動機(jī)縮比原型機(jī)完成9s點火試驗的同一天，馬斯克在國際航空大會（International Aeronautical Congress）上發(fā)表演講，介紹了猛禽發(fā)動機(jī)和它的技術(shù)細(xì)節(jié)，并公布了雄心勃勃的ITS計劃，披露了一款直徑12米的大型運載火箭概念，專門用于行星際運輸，馬斯克還討論了SpaceX火星運輸任務(wù)的整體細(xì)節(jié)，包括ITS運載火箭的材料，發(fā)動機(jī)的數(shù)量和類型，推力，貨物和乘客有效載荷能力，在軌推進(jìn)劑補充裝置，運輸所需的大概時間和火星與地球發(fā)射的基礎(chǔ)設(shè)施。ITS由三部分組成，第一部分是一級助推器（如圖 5），直徑12m，高77.5m，總推力130MN，由42臺猛禽發(fā)動機(jī)組成，為三圈分布，外圈21臺，內(nèi)圈14臺，這35臺發(fā)動機(jī)是固定的，而中心的七臺發(fā)動機(jī)能夠搖擺，助推器通過調(diào)整中心發(fā)動機(jī)的方向和內(nèi)外圈不同位置發(fā)動機(jī)推力能實現(xiàn)推力矢量控制；第二部分是第二級飛船，采用六臺真空版猛禽發(fā)動機(jī)和三臺用于降落的發(fā)動機(jī)，用于載人和載貨；第三部分是二級的可選替換，專門用來運載燃料為太空中的其他飛船補加燃料。根據(jù)馬斯克的說法，所有的ITS組件都具有重復(fù)使用能力。

圖?5 ITS運載火箭助推器概念圖

一年后的2017年9月29日，馬斯克在澳大利亞阿德萊德舉行的第68屆國際宇航大會上公布了大獵鷹火箭（Big Falcon Rocket，BFR）的詳細(xì)計劃，這是前面的ITS系統(tǒng)更加現(xiàn)實的修改版。在BFR中，火箭直徑從12m減小到9m，第一級發(fā)動機(jī)從42臺減少到31臺，第二級則減少到6臺，箭體采用碳纖維材料，能夠在90分鐘內(nèi)把有效載荷運送到地球任何地方，可以“像撒土豆一樣”把衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道，還能運送貨物到月球和火星，如果在軌道上補加推進(jìn)劑的話，甚至可以在單次任務(wù)中登陸月球再返回地球。在這些功能中，90分鐘全球到達(dá)的功能引起了美國軍方的注意，美國空軍空中機(jī)動司令部負(fù)責(zé)人在2018年8月討論了使用BFR的可能性，他們估計這種運載能力在五到十年之間就能夠具備。2018年3月，SpaceX開始制造BFR的首個原型。

2018年9月，馬斯克宣布了BFR的后續(xù)計劃并對BFR的組件進(jìn)行了重命名，他把第一級助推器正式命名為超重型推進(jìn)器（super heavy），第二級飛船命名為星艦（starship），這就是最新的星艦計劃。在新星艦最初的版本中（如圖 6），采用七臺猛禽發(fā)動機(jī)作為動力，飛船后部有三個翼，前部有兩個鴨翼，這些機(jī)翼能夠在再入大氣時提供一定的氣動升力，而后部的三個翼還能在著陸時作為支撐腿使用。隨后，新星艦很快進(jìn)入到實際的制造和試驗階段。

圖?6 星艦最早的概念圖

2018年12月，SpaceX放棄了造價高昂、難以重復(fù)使用、并且在低溫下呈現(xiàn)脆性的碳纖維材料，轉(zhuǎn)而大膽采用雖然更重，但更加便宜可靠易維護(hù)的不銹鋼來制造火箭外殼。同一時間，SpaceX開始制造星艦的技術(shù)驗證機(jī)星蟲（Starhopper），首臺星蟲驗證機(jī)在2019年4月5日進(jìn)行系留試飛，該驗證機(jī)配備一臺猛禽發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了大約1米高的飛行；第二臺星蟲驗證機(jī)在2019年7月25日進(jìn)行首次無限制試飛，該驗證機(jī)同樣配備一臺猛禽發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了大約22秒的飛行，飛行高度大約18m；第三臺星蟲驗證機(jī)在2019年8月27日進(jìn)行試飛，該驗證機(jī)進(jìn)行了大約57秒的飛行，最大飛行高度達(dá)到150m。在第三次試驗后，星蟲被認(rèn)為完成了技術(shù)驗證的使命，隨后退役并被拆解，其中一些可重復(fù)使用的零件被用于其他測試。

圖 7 星蟲驗證機(jī)及其試飛

在星蟲進(jìn)行技術(shù)驗證的同時，星艦的開發(fā)也沒有停止，2019年5月，星艦修改了設(shè)計，采用六個猛禽發(fā)動機(jī)，其中三個是海平面版，另外三個是真空版。隨后，星艦開始了密集的制造和試驗過程，在2019年底至今不到三年時間內(nèi)迭代了28個版本，在2021年7月還修改了一次設(shè)計，使真空版猛禽發(fā)動機(jī)數(shù)量增加到六臺，并且計劃把發(fā)動機(jī)全面換裝為猛禽-2。2021年5月26日，星艦SN15首次飛行到10km高空并成功返回，開創(chuàng)了液氧甲烷發(fā)動機(jī)的新記錄?，F(xiàn)在，星艦已經(jīng)全面轉(zhuǎn)入軌道原型機(jī)研制階段，Ship-20星艦完成了全套地面測試，而最新生產(chǎn)的星艦Ship-28已經(jīng)是第五艘軌道測試版本的星艦，包括它在內(nèi)，目前有四艘星艦已經(jīng)完成組裝或在等待試驗。最新版的星艦照片如圖 6所示。

圖?8 星艦Starship

3、Blue Origin公司? ? ? ? ? ? ? ? ?——Blue Engine 4

Blue Engine 4（BE-4）是Blue Origin（藍(lán)色起源）公司正在研發(fā)的一款液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)研發(fā)完全由藍(lán)色起源公司的老板杰夫·貝索斯靠出售他私人持有的亞馬遜公司股票所得資金來支持。最初，BE-4計劃用于藍(lán)源公司自己開發(fā)的New Glenn（新格倫）火箭，2014年藍(lán)源公司與ULA（聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟）達(dá)成協(xié)議，敲定該發(fā)動機(jī)也將用于ULA的Vulcan Centaur（火神半人馬）火箭。大體上來說BE-4的研發(fā)工作還未完成，技術(shù)成熟度大大不如猛禽發(fā)動機(jī)，因此許多技術(shù)參數(shù)并未最終確定，公開資料能夠找到的具體參數(shù)如表 2所示：

圖 9 正在轉(zhuǎn)運的BE-4發(fā)動機(jī)

BE-4發(fā)動機(jī)采用分級燃燒循環(huán)，帶有一個富氧燃燒的預(yù)燃器和一個同時驅(qū)動液氧泵和燃料泵的渦輪。該發(fā)動機(jī)的設(shè)計專注于提高可靠性和工作壽命，使用時遵循“取乎其上，得乎其中”的原則，按較大的性能裕度設(shè)計，實際使用時僅按中等性能使用，發(fā)動機(jī)采用靜壓軸承替代傳統(tǒng)渦輪泵中的滾珠軸承和滾柱軸承，最大限度地提高壽命和可靠性。BE-4發(fā)動機(jī)采用自增壓方式為貯箱內(nèi)推進(jìn)劑增壓，節(jié)省了維持貯箱壓力所需的氦氣瓶，在減少重量的同時簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，并且可以少帶一種介質(zhì)，降低地面維護(hù)復(fù)雜性。此外，據(jù)報道，發(fā)動機(jī)在熄火后還能通過渦輪的水頭壓力再次點火啟動。

BE-4最早在2011年開始研制，2014年，該型號宣布將用在運載火箭上，當(dāng)時藍(lán)源公司計劃2017年之前準(zhǔn)備好飛行。2015年開始，BE-4的研制工作開始分為兩條并行支線，其中一條支線致力于測試發(fā)動機(jī)的全尺寸部件，包括閥門、渦輪泵、噴注器和燃燒室，另一條支線對發(fā)動機(jī)的整機(jī)縮比樣機(jī)進(jìn)行實驗。2015年9月，BE-4組件已經(jīng)完成預(yù)燃室、燃燒室和噴注器的許多驗證，并用試驗結(jié)果修正噴注器性能、傳熱和燃燒穩(wěn)定性模型。同年發(fā)動機(jī)在試驗時試驗臺發(fā)生爆炸，隨后藍(lán)源公司又建造了兩個具備測試全推力BE-4發(fā)動機(jī)的試驗臺作為備份。從這個時候開始，BE-4的研發(fā)進(jìn)度開始加快。

藍(lán)色起源公司研制火箭發(fā)動機(jī)的思路與SpaceX公司截然相反，SpaceX公司并行制造大量不同方案的火箭發(fā)動機(jī)，通過不斷的設(shè)計-生產(chǎn)-試驗循環(huán)來獲取數(shù)據(jù)并反饋到設(shè)計中，從來不會等到所有的技術(shù)問題全部解決才開始試驗，而是通過連續(xù)不斷的試驗來解決層出不窮的技術(shù)問題。藍(lán)源公司則更像傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)，每一步都穩(wěn)扎穩(wěn)打，對技術(shù)問題一點一點地驗證，試驗中一步一腳印地提高發(fā)動機(jī)參數(shù)。

2017年3月，首臺BE-4發(fā)動機(jī)完成組裝，5月13日，發(fā)動機(jī)在試驗時發(fā)生異常，損失了一臺動力總成，但沒有影響到總體的進(jìn)度。同年10月，BE-4首次試車，以50%的推力進(jìn)行了3s點火試驗，這次試驗多少恢復(fù)了之前試驗臺爆炸后大家對BE-4失去的信心。

圖 10 2017年10月BE-4首次試驗

2018年3月，藍(lán)源公司在社交媒體平臺上發(fā)布BE-4的試驗視頻，聲稱BE-4完成了一次掃混合比的試驗，試驗推力達(dá)到65%總推力，發(fā)動機(jī)工作時間114s，藍(lán)源公司認(rèn)為，通過這次試驗證明甲烷是一種非常優(yōu)良的燃料。5月，藍(lán)源公司提出目標(biāo)，在未來的幾個月內(nèi)把推力提升到70%。9月11日，在巴黎舉行的世界商業(yè)衛(wèi)星周會上藍(lán)源公司的CEO鮑勃·史密斯提到，BE-4發(fā)動機(jī)已經(jīng)完成了數(shù)百秒的測試，其中包括一項200s的試驗，同一個會議上，AR1發(fā)動機(jī)開發(fā)者Aerojet Rocketdyne總裁兼CEO也承認(rèn)，與BE-4競爭在火神火箭上的主發(fā)動機(jī)地位的AR1發(fā)動機(jī)性能不如BE-4。

圖 11 2018年3月BE-4 65%推力試驗

盡管獲得了對手高度評價，但BE-4的試驗進(jìn)展仍然緩慢。2019年2月，BE-4已在地面進(jìn)行了超過1800s的熱試車，但發(fā)動機(jī)推力最大沒有超過73%設(shè)計推力，一直到2019年8月，BE-4才進(jìn)行了首次全推力的熱試車。2020年5月，BE-4進(jìn)行了全推力狀態(tài)下8°搖擺試驗，總試車時間累積達(dá)2500s。

圖 12 2019年8月 BE-4全推力熱試車

2020年7月，藍(lán)源公司宣布首臺BE-4的原型機(jī)已經(jīng)交付給聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟用于在火神半人馬火箭上的聯(lián)合測試，8月，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟CEO托里·布魯諾說第二臺原型機(jī)將很快交付，但他也注意到BE-4的渦輪泵存在問題，藍(lán)源公司仍在解決這個問題，他相信這些問題很快就會解決。10月，布魯諾說問題已經(jīng)解決，發(fā)動機(jī)很快就要投入生產(chǎn)。然而，事實并非如此，BE-4并沒有很快解決問題并量產(chǎn)，它面臨的困境已經(jīng)越來越遮掩不?。涸ㄓ?017年的首飛計劃已經(jīng)推遲了四年，發(fā)動機(jī)渦輪泵、燃燒不穩(wěn)定性、冷卻能力不足和實際壽命短于設(shè)計壽命的問題層出不窮，解決遙遙無期，藍(lán)源公司管理問題導(dǎo)致制造發(fā)動機(jī)的硬件短缺，完成組裝的發(fā)動機(jī)不多，試驗臺空置時間延長，公司CEO和杰夫·貝佐斯也因為重組公司管理層的工作未能將足夠的精力放在發(fā)動機(jī)開發(fā)上，給予發(fā)動機(jī)技術(shù)團(tuán)隊足夠的優(yōu)先級，因此BE-4進(jìn)行一次全推力全工作時長的熱試車要花費相當(dāng)?shù)呐Α?021年8月，藍(lán)源公司做了一個冒險決定，將未完全組裝完成的首臺飛行產(chǎn)品運送給聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟，強行滿足交付時間要求，而真正組裝在2022年初才完成。

進(jìn)入2022年后，BE-4的情況似乎好轉(zhuǎn)起來，第二臺飛行產(chǎn)品7月份組裝完成，兩臺發(fā)動機(jī)同時出現(xiàn)在藍(lán)源公司肯特工廠。

圖 13 2022年7月BE-4兩臺飛行產(chǎn)品同框

2022年7月底，一臺BE-4進(jìn)行變推力試驗，發(fā)動機(jī)在45%-100%推力之間穩(wěn)態(tài)工作超過256秒，圖 14是發(fā)動機(jī)試驗照片，圖中的白色線顯示了推力變化的情況，在試車的視頻錄像中可以看到發(fā)動機(jī)噴出的羽流長度隨推力水平變化。

圖?14 2022年7月底 變推力試驗

2022年10月初，BE-4的2號飛行產(chǎn)品被運往位于西德克薩斯迪凱特的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟火箭工廠先行安裝，1號產(chǎn)品在十月底完成測試后也被運往此處，11月1日，兩臺BE-4在工廠聚首，后續(xù)將安裝到火神火箭上進(jìn)行測試。

圖 15 2022年11月1日，兩臺BE-4飛行產(chǎn)品在ULA的工廠內(nèi)

BE-4原計劃在三種型號的運載火箭或航天飛機(jī)上使用，包括聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的火神半人馬火箭，藍(lán)源公司自己的新格倫火箭，還有波音公司的XS-1航天飛機(jī)。其中火神火箭的第一級采用兩臺BE-4發(fā)動機(jī)，前面已經(jīng)提到，不斷跳票的BE-4最近已經(jīng)運到聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的工廠，正在安裝到火神火箭上。新格倫火箭第一級采用7臺BE-4發(fā)動機(jī)，最早計劃在2020年掛載飛行，但由于BE-4研制進(jìn)度的拖延、火神火箭的爭奪和產(chǎn)能不足，該計劃已經(jīng)延期到2022年底，并且從目前的情況看，可能還要繼續(xù)延后，這使新格倫失去了國家安全太空發(fā)射（NSSL）項目第二階段的參與權(quán)，藍(lán)源公司在這一階段輸給了聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟和SpaceX。XS-1航天飛機(jī)在2014年開始開發(fā)，2015年傳出消息，可能采用BE-4的衍生版本作為動力，但2017年Aerojet Rocketdyne的AR22被選中，BE-4確定出局。因此，目前來看，在未來的一段時間里，如果想關(guān)注BE-4在火箭上的實際應(yīng)用，多半只能關(guān)注火神火箭的研制進(jìn)展了。

4、其他公司

4.1
Rocket Lab公司——Archimedes（阿基米德）

Rocket Lab早年開發(fā)了首個采用電動泵增壓的火箭發(fā)動機(jī)盧瑟福（Rutherford）并將其用在電子（Electron）火箭上。2021年3月1日，Rocket Lab宣布將研制中子（Neutron）火箭，其針對小型行星際運輸需求和近地巨型星座建設(shè)需求，將用于把8噸載荷送入近地軌道。最早發(fā)布的中子火箭設(shè)計高40米，直徑4.5米，第一級可重復(fù)使用，在海上平臺著陸回收，并且采用RP-1煤油和液氧作為推進(jìn)劑。

2021年12月2日，Rocket Lab發(fā)布了中子火箭的新設(shè)計，把火箭直徑增加到7米，修改了火箭飛行任務(wù)剖面，把海上回收替換為發(fā)射場回收，并把推進(jìn)劑換成了液氧和甲烷，并且宣布將開發(fā)名為阿基米德的新型發(fā)動機(jī)。

阿基米德發(fā)動機(jī)的最初設(shè)計據(jù)稱采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，額定推力為1000kN，比沖320s，中子火箭第一級采用七臺阿基米德發(fā)動機(jī)，總起飛推力5960kN，總峰值推力達(dá)7530kN，第二級采用一臺真空版阿基米德發(fā)動機(jī)，真空推力1110kN。在發(fā)布之時，Rocket Lab預(yù)計阿基米德發(fā)動機(jī)將在2022年進(jìn)行首次熱試車，但到了2022年9月21日，發(fā)動機(jī)的設(shè)計再次更改，為了在不犧牲比沖的前提下降低渦輪溫度，循環(huán)方式由燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)改為富氧分級燃燒循環(huán)，額定推力減小到730kN，真空比沖增加到329s，同時具有50%~100%的推力調(diào)節(jié)能力，而真空版阿基米德發(fā)動機(jī)額定推力減小為890kN，真空比沖367s，與海平面版本具有同樣的變推能力。以上更改說明該型發(fā)動機(jī)仍未定型，基本不可能實現(xiàn)原定的2022年首次熱試車。目前，Rocket Lab計劃在2022年完成預(yù)燃室測試，在2023年完成整機(jī)測試，并在2024年發(fā)布成品。

圖 16 阿基米德發(fā)動機(jī)概念圖

4.2Relativity Space公司——Aeon系列

Relativity Space總部位于加州洛杉磯，于2015年成立。據(jù)說該公司的兩位CEO成立Relativity Space是因為他們原來所在的NewSpace公司沒有充分挖掘3D打印技術(shù)的潛力，因此他們想讓Relativity Space成為第一家將全3D打印火箭送入軌道的公司。

2017年，Relativity Space宣布開發(fā)Terran 1火箭，該火箭能將1250kg載荷發(fā)射到LEO軌道?；鸺蓛杉壗M成，第一級采用9臺Aeon 1液氧甲烷發(fā)動機(jī)提供動力，第二級采用1臺Aeon 1真空版提供動力。Aeon 1采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，單臺推力100kN，Aeon真空版推力單臺推力126kN，它們均采用3D打印技術(shù)（選擇性激光燒結(jié)）制造，整臺發(fā)動機(jī)零件數(shù)量不超過100個。Relativity Space在2022年2月宣布他們已經(jīng)在NASA斯坦尼斯航天中心E-3試車臺上完成了Aeon 1發(fā)動機(jī)的超過500次熱試車，采用Aeon 1發(fā)動機(jī)的Terran 1火箭計劃在2022年11月進(jìn)行首次無載荷試飛。下圖是Relativity Space網(wǎng)站上發(fā)布的Aeon 1發(fā)動機(jī)試車視頻截圖。

圖 17 Aeon 1發(fā)動機(jī)試車

2021年，Relativity Space公司宣布基于Terran 1火箭的技術(shù)開發(fā)可重復(fù)使用的Terran R（R代表reusable）火箭，該火箭有效載荷提升至20噸，第一級采用7臺Aeon R發(fā)動機(jī)，第二級則使用經(jīng)過升級的Aeon 1發(fā)動機(jī)和銅燃燒室。Aeon R發(fā)動機(jī)據(jù)稱可達(dá)1100kN推力。

雖說有試車的視頻，但公開資料中很難找到Aeon系列發(fā)動機(jī)的詳細(xì)參數(shù)和試車數(shù)據(jù)，也許在不久的將來會有更多信息發(fā)布，但目前難以判斷Aeon系列的實際性能。

5、總結(jié)

總體來看，美國液氧甲烷發(fā)動機(jī)研制呈現(xiàn)“均勻分布”局面，各家公司發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度參差不齊，最領(lǐng)先的猛禽發(fā)動機(jī)即將進(jìn)入軌道飛行試驗，其他公司中比較領(lǐng)先的如BE-4已經(jīng)完成單機(jī)試車，即將安裝到火箭上，稍落后些的正在進(jìn)行系列單機(jī)試車，更落后的則可能還停留在紙面上。但是，值得注意的是，雖然水平參差不齊，但由于研發(fā)起步較早，技術(shù)基礎(chǔ)扎實，加上資本環(huán)境友好，管理水平高，美國最領(lǐng)先的一批液氧甲烷發(fā)動機(jī)型號研制進(jìn)度可以說是一騎絕塵，我國若想在這方面有所建樹，仍然需要管理者、投資人和技術(shù)人員共同付出大量努力。