我国商业航天进入由“能发射”向“更可靠、更经济、更可复用”加速转段的关键时期,火箭动力系统的可控性与可重复使用能力成为降本增效的核心环节。
近日,中科宇航完成力擎一号针栓式液氧煤油发动机摇摆与变推力试车考核,相关数据表明,该发动机在长时工作、推力调节与姿态控制耦合工况下的稳定性取得进展,累计试车时长超过1300秒,覆盖可重复使用运载火箭一级飞行时长的5倍以上,为后续工程应用积累了实证基础。
从“问题”看,可重复使用运载火箭的一级回收通常需要经历多次发动机点火与复杂推力曲线:上升段需要高推力保证加速度与运载能力,关机分离后需再点火完成返回制动,临近着陆还要进行末端减速与精细控制。
发动机若无法在较宽范围内稳定变推力,或调节精度不足、响应滞后,就可能在姿态控制、着陆精度和结构载荷方面引发连锁风险,进而影响回收成功率与可复用周期。
从“原因”看,液氧煤油发动机在深度节流过程中易出现燃烧组织变化、流量分配偏移与热环境波动等挑战,尤其在与摇摆机构配合时,工况耦合更为复杂。
力擎一号采用针栓式喷注器结构,并在推力室与发生器等关键部位依托不锈钢3D打印一体化成型工艺制造,旨在通过结构集成降低制造与装配误差,提高燃烧效率与工作稳定性,同时在起动与运行过程中降低振动水平。
此次试车实现100%至50%的深度变推力调节,并具备1%量级推力高精度调节能力,反映出在推力闭环控制、推进剂供给匹配以及燃烧稳定性保持等方面形成了阶段性成果。
从“影响”看,大范围变推力与高精度调节能力直接关系到可重复使用火箭“回得来、落得准、修得快”。
一方面,深度节流有助于回收阶段降低末端速度与着陆冲击,减小结构疲劳与维修成本;另一方面,推力的精细可控提升了姿态控制余度,有利于在复杂风场与落点偏差情况下实现更稳健的轨迹修正。
对商业航天而言,动力系统可靠性与复用能力的提升,将进一步支撑高频次发射任务和多样化载荷需求,推动发射服务价格下探与任务响应速度提升。
从“对策”看,发动机研制从试验验证走向工程应用,需要把“单点突破”转化为“体系能力”。
一是持续开展长程、全包线试车,覆盖多次点火、不同环境边界与故障模式,形成可追溯的可靠性增长路径;二是推动制造工艺与质量控制体系完善,围绕3D打印关键件的材料一致性、无损检测、寿命评估建立标准化流程;三是将发动机与回收飞行器控制系统协同优化,通过硬件在环与飞行试验闭环验证推力调节策略,提升整箭级系统鲁棒性。
与此同时,企业披露力擎二号110吨级针栓式液氧煤油发动机已进入关键研制阶段并筹备200秒长程试车,体现出向更大推力、更强工程化能力拓展的路线选择。
从“前景”看,随着我国商业航天市场需求扩容,具备可复用能力的液氧煤油动力系统有望在中近地轨道发射、空间试验与在轨制造等应用场景中发挥更大作用。
据介绍,后续相关可重复使用飞行器计划采用多台力擎一号发动机作为主动力,并开展百公里回收技术验证。
若回收验证顺利推进,将为商业发射“降成本、提频次、强可靠”提供更坚实的技术底座,也将为更具想象空间的商业化应用创造条件。
此次发动机技术的突破,不仅填补了我国在深度变推力领域的空白,更展现出商业航天创新体系的活力。
随着航天动力技术从实验室走向工程应用,中国商业航天正加速从技术跟随向创新引领转变。
在可预见的未来,这些核心技术突破将重构全球航天产业格局,为人类太空活动开辟更广阔的经济空间。