2021~2028，中國下一代液體火箭發動機研製進入“八年九機”節奏_風聞

來源：中國航天報

一枚新型火箭在總體設計方案出爐前，它的“心臟”——發動機已率先定型。火箭運力很大程度由發動機決定，這直接關乎探索太空的舞台空間。就在長征五號、六號、七號等新一代運載火箭馳騁太空時，我國下一代火箭的輪廓也隨着一份**“八年九機”計劃**的公開被勾勒出來。

為適應航天強國建設需求，中國航天科技集團有限公司六院公佈：從2021年到2028年，研製以500噸級液氧煤油發動機和百噸級補燃循環液氧液氫發動機為代表的9型泵壓式液體火箭發動機，支撐載人登月、深空探測、天地往返重複使用運輸系統等重大航天任務實施。隨着研製工作的不斷推進，這份液體動力研製計劃中的新型號發動機研製數量也在不斷調整和充實。

4月2日，“九機”之一的85噸級開式循環液氧煤油發動機迎來飛行首秀，助推天龍二號火箭首飛成功，成為“八年九機”中首款成功投入工程應用的發動機。過去中國航天研製一型火箭發動機要“十年磨一劍”，現在要實現“八年九機”，無論設計方還是製造方都把加速“動力”拉滿了。

天龍二號火箭首飛成功

瞄準8年後的國際先進水平來設計

最近，六院院長王萬軍給11所的發動機設計師佈置了一道題：調研2028年國際最先進的火箭發動機是什麼水平，要對標世界航天強國，確保達到同一水平或局部領先。

在“八年九機”計劃中，液氧甲烷發動機屬於新面孔。

80噸液氧甲烷發動機首台整機熱試車

“其實我們從2000年就開始研製液氧甲烷發動機，當時在‘863’計劃的支持下，已經把發動機組件的關鍵技術試驗驗證做完了，並不是現在才開始追趕馬斯克的‘猛禽’。”11所大推力發動機總體研究室副主任張曉光説。

火箭發動機行業有個特點，因為研製週期較長，如果等拿到明確的火箭需求再開始研製，往往造出來後技術性能就落伍了。所以只要有工程應用前景，發動機就會先上馬。現役120噸液氧煤油發動機就是個例子，上世紀90年代開始關鍵技術攻關，到2000年左右才有比較明確的用途，首飛已是2015年。

9型發動機中，有3型設計任務落到11所大推力發動機總體研究室。據張曉光介紹，200噸液氧甲烷發動機將應用於我國重型火箭的芯一級和二級上，綜合性能指標與“猛禽”發動機相當。該型發動機的推進劑儲備豐富、價格低廉，在商業航天色彩越來越濃的當下，恰逢其時。

此外，9型發動機中有一款重複使用發動機按照低成本、多次重複使用目標設計，達到國際先進水平。張曉光解釋，發動機為了滿足重複使用要求，往往會犧牲一些性能指標，但這款發動機不會這樣。過去研製出120噸液氧煤油發動機解決了無毒無污染環保發動機的有無問題，現在這些新發動機都是奔着建成航天強國的目標去設計的。

數字世界多輪迭代，物理世界一次成功

這些新發動機的性能大幅提升，研製週期如何縮短到8年內？11所設計師們的做法是“精細，精細，還是精細”。

中國最大推力液體火箭發動機首次整機試車圓滿成功

首先是要精細識別載荷和環境。發動機承受的壓力、高温、衝擊振動等數據是多少，噪聲和電磁干擾有多大，在地面試車時是多少、飛行時又是多少……如今面對苛刻的指標要求，設計師藉助基於高速圖像的位移測量手段、基於高速光纖的動態應變測量手段等，對發動機結構在複雜工況環境下的表現一目瞭然，再把推演出的數據注入仿真模型。

準確識別之後便是精細的設計仿真。以發動機結構設計為例，張曉光表示，過去以穩態環境下的靜強度設計為主，通過增加冗餘提高安全係數來應對複雜熱力環境。現在有新的仿真手段、充沛的計算資源，能把方方面面的因素納入到動態環境下去考量，確保仿真演示無限接近真實。

最後是精細的測試驗證。相比於過去測出一些主要數據指標就“夠用了”，現在測出的數據種類更多、更準。11所在做試驗測試的同時，也同步修正迭代仿真模型，如此一來，實物驗證次數大大減少，省錢省時間，還能保證高性能指標。設計師們表示，現在航天產品的商業化屬性強了，火箭發動機都是批量化生產，所以在設計過程中一定要考慮到“多快好省”，而不是隻為完成一次任務。

用數字化手段把設計全流程都走通，才能在實戰中“第一次就把事情做對”。在這其中，11所的液體火箭發動機國家級重點實驗室也功不可沒。要實現重複使用，就要先知道一台發動機到底能試幾次車。實驗室設有力學與環境、熱過程、設計仿真、可靠性等專業，主要從事基礎理論研究，為設計師們提供了非常專業的幫助。可見，在“八年九機”計劃中，基礎研究和型號研製是相輔相成的。

這些發動機是怎麼造出來的

在數字化轉型發展路上齊頭並進的還有發動機製造。去年，六院西發公司的新一代大推力環保液體火箭發動機總裝脈動生產線開工，生產效率比過去提高了30%。3月27日，該公司第二條總裝脈動生產線正式投產應用。

第二條總裝脈動生產線正式投產應用

西發公司工藝處副處長高斌回憶，以前是“固定工位、集中裝配”，一組工人在一個工位上完成液氧煤油發動機全部裝配工序，大型組合件的對接、運送還要通過吊車完成。現在應用了脈動裝配理念，發動機“動”起來——裝配全流程被細分為多個工序工位，裝配工人在工位上相對固定，完成操作後，運輸車將發動機轉運至下一工位。高精度機械臂開始替代人手抓取零件，質量數據實現自動獲取並輸出報告。

“面對‘八年九機’計劃劇增的生產任務，不用一味去擴充廠房面積和工人數量也能大幅提升效率。”高斌介紹，兩條脈動生產線的建成，使液氧煤油發動機的年產能大幅提升。

有大開大合，也有妙到毫巔。每台發動機上有幾十種尺寸形狀各異的導管，原來需要裝配工人反覆在發動機上進行比試，反覆銼修打磨，費時費力。現在數字孿生技術登場，通過激光測量採集各導管接口的實測數據，在三維模型上進行虛擬裝配，並據此進行導管定製化加工。數字化手段還應用在產品檢測上，讓肉眼不易分辨的微小缺陷無處遁形。

西發公司信息中心主任樑棟表示，要讓生產線動起來，必須有“神經中樞”進行指揮。現在生產人員可以通過操作信息化系統，指揮AGV小車從立體庫進出，將3000多項零件按需、準時、定量配送至各工位。

3D打印技術也在這裏大顯身****手。走進西發公司增材製造創新中心，百台先進3D打印設備悉數通電啓動，一道道激光射出，在金屬粉末上精雕細琢，發動機關鍵構件加工難度大、合格率低的難題迎刃而解。

增材製造中心近百台設備就位

西發公司早在2014年就開展金屬增材製造技術研究。2016年首飛的長征五號火箭上有3種發動機部件由3D打印而成，開航天型號飛行應用先河。

相比傳統制造模式，液體火箭發動機關鍵零組件通過3D打印成型，可以讓產品生產週期縮短40%，成本降低20%~30%，合格率和可靠性顯著提升。西發公司增材製造創新中心副主任工藝師王雲介紹，“八年九機”中有一型發動機38%重量的構件由3D打印而成，產品合格率超過98%。他們現在的目標是一年高質量打印上萬件產品，全面進入“八年九機”節奏。