葛明龍：美國民營航天企業啓示 中國該如何借鑑？

美國民營航天企業啓示和火箭技術創新發展

葛明龍

1. 新的發展動態

1.1 獵鷹重型火箭成功發射

馬斯克(Elon Musk)的美國 Space X 公司於 2018 年 2 月 7 日成功發射獵鷹重型火箭。雖然夠不上百噸級近地載荷的重型火箭標準，但 63.8 噸近地載荷也是自美國載人登月以來四十多年間世界航天最重載荷。他們率先實現火箭垂直降落和重複使用。還打破常規並聯 27 個梅林-1D 發動機。聲稱火箭發射成本降低到 10% 水平。這些亮點使得這次發射在世界上比較轟動。

美國獵鷹重型火箭升空

美國獵鷹重型火箭回收

1.2 新謝潑德火箭成功發射

美國還有一家經濟實力更強的民營航天企業，是貝佐斯(Jeff Bozos)的亞馬遜公司下屬藍色起源(Blue Origin)公司。他同馬斯克一樣是以百萬人可以在太空工作和生活為目標，現正在低調開發商業載人飛船和私人太空旅遊飛機。該公司於 2018 年 4 月 30 日成功發射造型短粗和運載試驗商業載人飛船的新謝潑德火箭。火箭也實現垂直降落回收。飛船則用降落傘回收。

美國新謝潑德火箭升空。

美國新謝潑德火箭回收

1.3 發動機創新研究

基於發動機是火箭的心臟，作者先行對火箭發動機的高可靠性、多次重複使用、低成本等問題進行了五年多的創新研究。截止 2018 年 6 月 12 日，提出了結構較簡單和通用性好的無毒雙組元推進劑系列火箭推力室、三組元推進劑火箭推力室、切換燃料火箭推力室、航空渦扇發動機與擠壓式火箭發動機串聯成一體的航空航天渦扇發動機(簡稱空天發動機)等發明。內容詳見中國國家知識產權局的相關文獻。

根據以上動態，現對火箭及其發動機的創新發展發表看法。

美國試驗商業載人飛船回收

美國太空旅遊飛機方案

2. 火箭及其發動機的高可靠性

人們對飛機和航空發動機的高可靠性有足夠認識和充分信任。但對運載火箭和火箭發動機的可靠性有較多負面認識和缺乏信任。這也難怪，因為美國航天飛機兩次飛行失事使得 14 名乘員不幸殉職，前蘇聯和美國的多名宇航員犧牲，都給人們留下揮之不去的陰影。

運載火箭比飛機飛得快和高多了，飛船從軌道返回地面遭遇很大的氣動摩擦力，火箭發動機比航空發動機的燃燒温度至少高一千攝氏度，這些特點確實使得提高航天可靠性有大的難度。

將來要使廣大民眾參與太空旅遊，並使人們陸續登陸月球和火星，必須要把火箭及其發動機的可靠性提高到與飛機和航空發動機基本相當的水平。

提高火箭發動機可靠性的根本辦法是簡化結構，降低技術難度;選用冷卻性能好的再生冷卻劑，加大內冷卻劑流量;降低燃燒室温度和氣體發生器温度;提高減振抗振水平;選用抗疲勞的新材料;自動檢測故障的冗餘設計;從難從嚴熱試車;嚴格質量管理。

一種以壓縮空氣為氧化劑、柴油為燃料和水為再生冷卻劑的火箭燃燒室，能夠連續工作數日向油井注熱氣進行熱力採油。由此得到啓發，火箭發動機大大提高可靠性是有潛力和可能的。

中國航天一直堅持質量第一和高可靠性的方針。第一代運載火箭長征一至四號及其所用的五種發動機，具有很高的可靠性。迄今發射多於 270 次，成功率高於97%，達到世界先進水平。特別是用金獎發動機推進的神箭，已把 14 人次的英雄航天員送上天並平安返回，舉世矚目。

火箭發動機的單機並聯數一般不多於 12，重複使用次數應達到 50—200 次。根據多機並聯和多次重複使用的需要，火箭發動機的單機可靠性需大幅度提高到 0.9999 至 0.99999 才能滿足要求。

中國神箭運載航天員升空

3. 多機並聯和多次重複使用的可靠性分析

多機並聯和多次重複使用發動機的可靠性可用以下公式進行估算：

A = B ^ c d

式中：A 為並聯發動機可靠性 B 為單個發動機可靠性

c 為單機並聯數 d 為重複使用次數

^ 為指數符號

如果梅林-1D發動機可靠性 B = 0.99，獵鷹重型火箭的單機並聯數 c = 27，首飛d = 1，由該式算出並聯發動機的可靠性只有 A = 0.762。今後重複使用 d = 2、3、4••••••，可靠性低至 A = 0.581，0.443、0.338••••••。顯然，按如此低的可靠性數據是不能進行發射的。

如果梅林-1D發動機可靠性提高到 B= 0.999，則算出獵鷹重型火箭並聯發動機可靠性 A = 0.973、 0.947、0.922、0.898••••••。按此數據尚可發射。

以往用的 3 型獵鷹 9 號火箭和獵鷹重型火箭的實際重複使用次數只有一次(d=2)，據此判斷 3 型梅林-1D發動機可靠性 B 未必達到 0.999。

2018 年 5 月 11 日首飛成功的 5 型獵鷹 9 號火箭，重複使用次數要達到 10 以上並準備接受載人航天任務。5 型梅林-1D發動機的可靠性定高於 0.999。儘管如此，獵鷹重型火箭執行載人繞月飛行任務仍然暫時取消。顯然與可靠性不足夠高和飛行試驗次數少有關。

如果梅林-1D發動機的可靠性高達 B= 0.9999，單機並聯數 C= 9，重複使用次數 D= 2—10，獵鷹 9 號火箭並聯發動機的可靠性 A= 0.998—0.991，完全可以執行載人飛行任務。對於執行載人繞月飛行任務的新型獵鷹重型火箭，單機並聯數 C= 27，重複使用次數 D= 2—4，並聯發動機的可靠性 A= 0.995—0.989，飛行成功比較有把握。

如果單個發動機可靠性高達 B= 0.99999，單機並聯數 C= 12，重複使用次數 D= 50—200，算出並聯發動機可靠性 A= 0.994—0.976。基本滿足要求。

由於多機並聯和多次重複使用顯著降低發動機可靠性，單機並聯數不宜多取。飛機的發動機數目為 2、4 或 6，我國火箭發動機的並聯數為 4、6 或 8，還是這樣科學。火箭發動機並聯數一般不宜超過 12。

美國獵鷹重型火箭 27 機並聯

4. 火箭及其發動機的多次重複使用

4.1 垂直髮射垂直降落

馬斯克知道回收火箭重複使用可大蝠度降低成本，因而花大力氣攻克運載火箭重複使用的難題並取得實效。運載火箭垂直降落和回收再用是他們的最大技術成就和首創。

但是，運載火箭垂直降落回收的技術難度很大，不容易成功。獵鷹重型火箭是由三個獵鷹 9 號火箭排成一行並聯而成。兩側的助推子火箭工作完畢後與芯級子火箭分離，飛向回收平台或落點靶圈的上方調整為垂直姿態，然後垂直降落用三個支架穩穩落在海上回收平台或者準確落在陸地落點靶圈內。芯級子火箭通過調整計算減小發動機推力而比助推子火箭多工作 30 秒，以增加有效載荷和錯開回收時間。各子火箭回收過程的姿態控制及發動機推力調控都有一定難度。

獵鷹 9 號火箭的回收經歷了多次失敗。獵鷹重型火箭在成功回收兩個助推子火箭的同時仍有一個芯級子火箭回收失敗。這種回收是有代價的，要消耗不少推進劑。另外，梅林-1D 液氧煤油發動機是用冷卻性能有限和易結焦的煤油作為再生冷卻劑，這也是獵鷹火箭重複使用次數有限的原因之一。

4.2 垂直髮射水平降落

美國 NASA 研製的航天飛機、X-37B 空天飛機和將於 2020 年發射的 XS-1 試驗太空飛機都是採用垂直髮射和水平降落。這種回收方式技術難度較小，回收可靠性高，着陸平穩和回收次數增多。

中、俄等國也都在積極研究垂直髮射水平降落的回收方式。計劃於 2020 年首飛的中國空天飛機採用一級揹着二級的設計，能實現一、二級的全部回收。

要實現火箭發動機的多次重複使用，宜開發作者提出的新火箭推力室。重複使用次數與所用推進劑相關。液氧煤油可達 10 次，液氧甲烷可達 25 次，氫氧、氫氧煤油三組元和切換燃料可達 50 次，中等濃度過氧化氫煤油或液氫或NHMF燃料及切換燃料有望達 200 次。

美國 XS-1 試驗太空飛機垂直髮射升空

XS-1 釋放二級火箭

XS-1 對準跑道水平降落

中國空天飛機設想圖

5. 火箭及其發動機的低成本

5.1 降低技術難度利於產品低成本

馬斯克是自掏腰包涉足航天領域，關鍵時刻傾囊而出。他深知節省開支和降低成本的重要性。他很早就去俄羅斯考察和談判引進大推力液氧煤油發動機，由於對方要價高而未談成。所以下決心自行研製發動機。他們自行研製的梅林-1D 液氧煤油發動機地面推力只有 86 噸，是我國 YF-100 液氧煤油發動機推力的 70%;他們用簡單的燃氣發生器循環而不是複雜的高壓補燃(分級燃燒)循環，梅林-1D 比 YF-100 的地面比衝小 6.2% 。但是，這樣做的技術難度小，可以大大縮短研製週期和降低產品成本。獵鷹重型火箭用 27 個批量生產的低成本梅林-1D 發動機並聯，再加用上回收重複使用的產品，聲稱發射報價只有 9000 萬美元，是美國發射類似火箭報價 9 億美元的 10% 。

我國堅持 4、6 或 8 機科學並聯，通過上述簡化結構等提高可靠性的措施，也可以降低大推力發動機的技術難度，縮短研製週期和降低產品成本。

5.2 很多次重複使用利於降低發射成本

馬斯克還提出要把火箭發射成本降低到 1% 的水平。這是必要的，因為只有這樣才能使月球和火星的開發在經濟上承擔得起。才能使太空旅遊普及到富裕民眾。

要實現火箭發射成本降低到 1% 水平，必須使得火箭及其發動機的重複使用次數超過 100 次。扣除每次發射的推進劑費用、產品維護檢修費用和發射台使用費用，就不難確定對應於 1% 發射成本的具體重複使用次數。

5.3 水平起落降低發射成本

火箭發動機不能利用大氣中的氧氣進行燃燒，需消耗大量氧化劑，既不經濟，又使運載火箭的體積和質量龎大。如改用水平起落的小而輕空天飛行器及其主要用空氣的空天發動機，就可以大大降低發射成本。

源於英國雲霄塔火箭的水平起落運載火箭及其吸氣與火箭組合式發動機(複合預冷發動機)，是最先進的空天飛行器及其發動機，計劃重複使用 200 次。英、美、中、日等國都在積極研究這種單級入軌或雙級入軌和全部回收的有翼火箭及其發動機。由於技術難度大，各國分別研究了幾年或幾十年，都沒有達到實用試驗階段。中國的單級入軌火箭計劃於 2030 年試飛。另外，由於用的是液氧液氫冷凍型推進劑，將來即使應用也得有專用機場。

相比之下，作者提出的空天發動機使用無毒可儲存推進劑更方便，技術難度小得多。鑑於中國人出境遊每年已超過一億人次，大眾太空遊會有好的市場前景。前提是確保安全可靠，成本降低到大批人能承受的程度。因此，宜開發有自主知識產權的空天發動機，用來推進亞軌道先期太空旅遊飛機。

6. 幾種重型運載火箭方案

下圖是國內外幾種重型運載火箭方案。近地載荷在 130 噸以上。

左一是美國 NASA 的載人登火星運載火箭。一邊使用一個 1000 噸推力的固體助推器。芯級火箭使用四個單機推力 200 噸的高壓補燃氫氧發動機。

左二是可載人登月用的中國長征九號運載火箭。有四個助推火箭，用的是單個 480 噸推力高壓補燃液氧煤油發動機。芯級火箭用的是兩台單機推力 220 噸的氫氧發動機。

右一是美國 Space X 公司的火星開發火箭。是獵鷹重型火箭的放大，並把梅林-1D 液氧煤油發動機換成新研製的 200 噸推力液氧甲烷發動機。

右二看似俄羅斯重型運載火箭。

對比左一和右一，可以看出美國民營航天企業已經與美國國營機構並駕齊驅。而且 Space X 公司的火星開發火箭是垂直降落回收和多次重複使用，更勝一籌。

幾種重型運載火箭方案

7. 結論性意見

美國的大企業家馬斯克和貝佐斯有開發火星的遠大理想。毅然投巨資開發重型運載火箭和太空旅遊飛機。在火箭及其發動機的回收重複使用和降低成本方面，馬斯克先行一步做出表率，有很好的啓示作用。

我們要緊緊圍繞提高可靠性、多次重複使用和降低成本的核心問題下功夫，走自己的發展道路。作者提出的新火箭推力室和空天發動機可供選擇。

鑑於獵鷹火箭及其發動機的可靠性正在不斷提高之中，我國的單個火箭發動機可靠性也要大幅度提高到 0.9999 至 0.99999。這樣才能滿足多機並聯和很多次重複使用的要求。

鑑於火箭垂直起飛垂直降落有技術難度大和成功率不太高的缺點，應當採用垂直起飛水平降落乃至更好的水平起飛水平降落方式進行火箭回收。

鑑於 27 個單機並聯和多次重複使用會使發動機可靠性明顯下降，應當研製可靠性高和具有多次重複使用能力的大推力火箭發動機，堅持我國運載火箭的 4、6 或 8 機科學並聯。發動機並聯數一般不要超過 12。發動機重複使用有望達 50—200 次。

鑑於釆用燃氣發生器循環會使發動機比衝下降較多，在我國已掌握高壓補燃(分級燃燒)循環技術的情況下，應當保持高性能特點。還可以採用中壓補燃(分級燃燒)循環技術及另從簡化結構等方面降低技術難度。

貝佐斯先行研製太空旅遊飛機有利於滿足人們太空旅遊的需要，但面對私人富豪不可取。我國人口眾多，應面向富裕民眾。用空天發動機推進亞軌道先期太空旅遊飛機，可使乘客短時間體驗失重和從 50 公里以上高度看地球和天空。

中國國營航天企業要與時俱進。中國民營航天企業要技術和體制雙創新。（作者曾於 2018 年 4 月 24 日在西安航天動力研究所講課，本文是在講稿的基礎上進行內容壓縮和補充而成。）