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载入中国商业航天史的20秒：昨日，蓝箭航天“天鹊”推力室点火试车成功

百家作者：DeepTech深科技 2018-09-28 09:28:01

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9 月 27 日，DT 君在现场见证了中国商业航天公司蓝箭航天自主研发的 80 吨液氧甲烷发动机天鹊 (TQ-12) 短喷管推力室热试车，推力室在蓝箭航天位于湖州大山中自建的试车台进行了 20 秒的短程点火试车并取得成功。这为“天鹊”（TQ-12）发动机后续的全系统试车以及“朱雀二号”液体运载火箭的首飞也增添了一抹亮色，中国商业航天在坎坷的赛道上正加速向前。

图丨天鹊 (TQ-12) 短喷管推力室热试车（来源：蓝箭航天）

发展航天，动力先行

马斯克成就 SpaceX 的传奇之后，全球无数继起之追赶者。但当包括 SpaceX 和蓝色起源都将精力瞄准了一种不同寻常的发动机——液氧甲烷发动机之后，竞争变得更加激烈。

和目前世界各国已经使用多年的煤油、液氢乃至被视作“毒物”的偏二甲肼/四氧化二氮相比较，液态甲烷具备成本低、较易贮存、无毒无污染、维护方便的特点。而作为低温推进剂的液态甲烷，其黏度低（为煤油的 1/3）、结焦和积碳现象少等优点明显。

图丨甲烷燃烧（来源：Wikipedia）

如果单纯从应用层面来说，液态甲烷存在着密度较小、饱和蒸汽压高，致使密度比冲偏小且燃料泵的抗汽蚀性能不易保证等固有缺点。但对于按照商业化思路来经营的民营公司来说，最为重视的还是性价比，这个时候，甲烷的优势就体现出来了。以蓝箭航天此次的短喷管推力室热试车为例，其使用民用甲烷的价格仅为每公斤 3 至~5 元，成本只有不到液氢的三十分之一。

更重要的是，不易结焦的特性使得以液氧甲烷为燃料的发动机同样具有优秀的重复使用潜力，可以保证发动机具备几十次甚至上百次的使用次数，这对于亟待依靠大规模重复使用来降低发射成本的卫星公司来说可谓是莫大的喜讯。

图丨SpaceX 的猎鹰9号定义了经典的“可回收火箭”（来源： SpaceX ）

鉴于液氧甲烷推进剂以上种种的优点，美俄等主要航天强国都不同程度地开发过该类型的发动机。目前，全球范围内最知名的液氧甲烷发动机厂商就是美国的“航天双子”——“钢铁侠”马斯克旗下的 SpaceX 和首富贝索斯执掌的蓝色起源。

图丨BE-4与“猛禽”两款发动机（来源：Reddit）

可以说，无论是 Raptor（猛禽）还是 BE-4 都绝对符合大型火箭发动机的标准，而且这两款发动机都已经进入到了地面测试和小批量生产阶段。其中，BE-4 更是成功将 Aerojet Rocketdyne 的 AR-1 发动机击败，拿下了联合发射联盟（ULA）下一代火神（Vulcan）火箭的一级发动机的大单。

而将视线放回国内，蓝箭航天是目前在液氧甲烷发动机领域进展最快的民营航天公司。2018 年 3 月，“天鹊”（TQ-12）80 吨液氧甲烷发动机推力室设计工作完成，9 月 1 日短喷管推力室顺利交付，在 9 月 24 日，已经进行了 1.5 秒的箱压点火试验和 5 秒的短程试验，9 月 26 日进行了 10 秒短程试车。需要注意的是，该型短喷管推力室与“天鹊”（TQ-12）发动机最终的全状态推力室版本相比不包含喷管延伸段，喷口面积比为 4：1。

图丨“天鹊”（TQ-12）80 吨液氧甲烷发动机（来源：蓝箭航天）

推力室通常由喷注器、燃烧室、喷管延伸段组成。短喷管推力室就是包含了喷注器和燃烧室的推力室，与全状态的推力室的差别仅在于没有喷管延伸段。推力室研制的核心问题是燃烧特性和燃烧室冷却性能，因而采用短喷管状态代替全状态推力室，可以满足大部分关键项目的测试需求，如喷注器燃烧效率测试、燃烧稳定性测试、冷却夹套传热性能测试、结构可靠性测试等等。以短喷管推力室先行试车，待推力室状态稳定后，再加上喷管延伸段进行全状态考核，这是世界范围内氢氧发动机研制上常用的做法，可以大幅度加快研制进度。

主持该产品研发的蓝箭航天高级工程师袁宇表示，大量的试验是发动机研制成功的必要条件。液体火箭发动机集燃烧、传热、流体力学、结构力学、低温技术、测控技术等多种学科与技术于一体，仅仅依靠仿真计算无法满足发动机的研制，必须开展各种大量的试验，一台成熟稳定的发动机，累计试车时间要达到 20,000 秒以上。

9 月 27 日短喷管推力室热试车在 60% 的工况条件下进行，目的是验证“天鹊”（TQ-12）发动机推力室四个方面的内容：

一、即验证喷注器在低工况下的燃烧效率，探索喷注器的节流工作下限；
二、验证推力室低工况下的燃烧稳定性，获得压力波动及相关的震动数据；
三、验证再生冷却与气膜复合冷却方案的热防护性能，获得甲烷超临界换热性能数据；
四、验证喷注器结构和材料新方案的可靠性；为后续产品的试验打下了的基础。

值得注意的是，本次短喷管推力室试车是在蓝箭航天自建的高压挤压试车台上进行的，这也是国内唯一的民营热试车台，主管试车台的高级测试系统工程师张昉介绍，该热试车台高压挤压能力国内领先，气源压力高达 35MPa，贮箱压力最高可达 32MPa，单侧贮箱容积 4m³，综合指标可以名列全国前三甲。

图丨试车台试车现场（来源：DeepTech）

而就在该试车台的旁边，已经计划建造 120 吨级的发动机全系统试车台，预计将会在明年春节期间完成，届时，完全状态下的天鹊 (TQ-12) 发动机将迎来更为全面完整的考验。

量产火箭，智能制造

在距离热试车台约 20 公里的黄芝山下，蓝箭航天的智能制造基地坐落于此。未来，火箭部分零组件的测试和最终的总装都将在这里进行。

图丨蓝箭航天智能制造基地（来源：DeepTech）

制造基地总共分为 5 各区域，分工明确：

冷态试验区：用于液体火箭发动机零件、组件的各项性能测试。包括液流试验台、气流试验台、低温轴承试验台、低温动密封试验台、阀门高压试验台、液压试验系统、真空烘干箱、阀门低温试验台、振动试验台、高低温环境试验台、泵水力试验台等。可开展百吨级以下推力发动机组部件的各类性能及典型试验，也可进行液体火箭组部件的相关性能试验；
储箱生产区：用于火箭贮箱的生产制造，配有大型的搅拌摩擦焊和环焊设备；
发动机装配区：用于液体火箭发动机各部件及整机的装配，保持恒温恒湿的环境。包含阀门装配试验、涡轮泵装配试验、发动机总装试验，其中阀门装配区域为 10 万级洁净间；
制造检测区：用于箭体及发动机零组件的制造、检测等；
火箭箭体总装区：用于火箭箭体总装、总测，具有高精度的水平对接装置。在此完成箭体发动机的对接、火箭的整件装配。

图丨蓝箭航天智能制造基地鸟瞰图（来源：蓝箭航天）

目前，蓝箭航天智能制造基地基础设施建设全部完工，发动机试验总装区域逐步投入使用。今年春节，天鹊发动机将进行全系统试车，2020 年，第一台 80 吨液氧甲烷运载火箭将在这里组装完成。未来，蓝箭航天在湖州的智能制造基地将具备 200 余人办公生产规模，到 2022 年，将形成年产 200 台发动机，15 枚中型运载火箭的能力。

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