民營(yíng)火箭企業(yè)星河動(dòng)力(北京)空間科技有限公司(下稱“星河動(dòng)力”)“智神星”重復(fù)使用中型液體運(yùn)載火箭研制又有新突破。7月5日至7月6日，該型火箭40噸級(jí)重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器兩天內(nèi)完成7次點(diǎn)火試車，累計(jì)試車時(shí)間380秒，單次最長(zhǎng)工作時(shí)間100秒。

星河動(dòng)力燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火試車

試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析表明，燃?xì)獍l(fā)生器啟動(dòng)和關(guān)機(jī)正常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)調(diào)值吻合，出口火焰穩(wěn)定;試驗(yàn)最大特征速度效率接近100%，出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐孕∮诘扔?plusmn;28℃，無(wú)啟動(dòng)溫度峰等。星河動(dòng)力方面表示，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

星河動(dòng)力聯(lián)合創(chuàng)始人夏東坤對(duì)澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示，該燃?xì)獍l(fā)生器做到三個(gè)技術(shù)創(chuàng)新，其中，相比業(yè)內(nèi)普遍使用的圓桶狀燃?xì)獍l(fā)生器，球錐型燃?xì)獍l(fā)生器屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。此次完成燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火試車后，星河動(dòng)力將在年底前進(jìn)行渦輪泵試車、渦輪泵和燃?xì)獍l(fā)生器聯(lián)試以及推力室試車，春節(jié)前可進(jìn)行液體發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試車。

星河動(dòng)力(北京)空間科技有限公司成立于2018年2月，是從事低成本商業(yè)航天發(fā)射業(yè)務(wù)的民營(yíng)航天公司。其核心產(chǎn)品及服務(wù)分兩條路徑，一是“谷神星”系列小型固體運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)，二是“智神星”系列中型液體運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)等。

SpaceX梅林(Merlin)發(fā)動(dòng)機(jī)試車圖

這家火箭民企的目標(biāo)是造出中國(guó)的“獵鷹9號(hào)”，其自主研制的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)正是對(duì)標(biāo)“獵鷹9號(hào)”的梅林發(fā)動(dòng)機(jī)。星河動(dòng)力小型固體火箭“谷神星一號(hào)”面向低軌商業(yè)小衛(wèi)星市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2020年3月首飛，中型液體運(yùn)載火箭“智神星一號(hào)”預(yù)計(jì)2022年12月首飛。

如果渦輪泵是心臟，燃?xì)獍l(fā)生器就是心臟起搏器

7月6日上午，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)控室內(nèi)的工作人員校對(duì)工況參數(shù)。監(jiān)控畫(huà)面上，地面持續(xù)噴水降溫。隨著一聲?shū)Q響，液體發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器再次點(diǎn)火，火焰“啪”一聲從噴管中噴出，隨后噴出的高溫燃?xì)鈴浡谠囓嚺_(tái)所在的山谷中，而原本銀色的排氣管已經(jīng)“燒”紅。工作人員說(shuō)，這臺(tái)燃?xì)獍l(fā)生器已經(jīng)歷第6次點(diǎn)火，試驗(yàn)過(guò)燃料和氧化劑不同混合比以及多種壓力、氣溫下的工況。

星河動(dòng)力球錐型燃?xì)獍l(fā)生器

燃?xì)獍l(fā)生器是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生燃?xì)獾慕M件，通過(guò)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵工作。要了解燃?xì)獍l(fā)生器，還要從渦輪泵講起。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪泵是對(duì)氧化劑和燃料進(jìn)行增壓的一種聯(lián)動(dòng)裝置，來(lái)自貯箱的氧化劑和燃料經(jīng)渦輪泵增壓后可供應(yīng)到推力室進(jìn)行燃燒。推力室是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中完成推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)化和產(chǎn)生推力的組件，火箭的氧化劑和燃料在推力室中燃燒產(chǎn)生推力。

那么，如何使渦輪泵一直源源不斷地吸氧化劑和燃料進(jìn)入推力室燃燒?這就需要依靠燃?xì)獍l(fā)生器的驅(qū)動(dòng)。星河動(dòng)力聯(lián)合創(chuàng)始人夏東坤介紹，由渦輪泵吸入的氧化劑和燃料除大部分進(jìn)入推力室燃燒，還有一小部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器。燃?xì)獍l(fā)生器燃燒后形成的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)渦輪泵再吸推進(jìn)劑，一小部分推進(jìn)劑進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器，大部分進(jìn)入推力室，由此形成循環(huán)。形象地講，如果渦輪泵是心臟，那么燃?xì)獍l(fā)生器就是心臟起搏器。

要讓整個(gè)火箭系統(tǒng)順利工作，燃?xì)獍l(fā)生器的職責(zé)就是要做到穩(wěn)定可靠、溫度均勻，為下游的渦輪葉片提供“舒適”環(huán)境。其溫度范圍不能超過(guò)渦輪葉片能承受的溫度，也就是800攝氏度。

如果燃?xì)獍l(fā)生器燃燒不穩(wěn)定、燃?xì)鉁囟炔痪鶆?，渦輪葉片將工作在流速忽快忽慢、溫度忽高忽低的環(huán)境里，壽命大打折扣，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次使用目標(biāo)，甚至燒掉渦輪泵。

滿足燃?xì)鉁囟染鶆蛐裕瑖?guó)內(nèi)首創(chuàng)球錐型燃?xì)獍l(fā)生器

“燃?xì)獍l(fā)生器要能變工況工作，壓力、溫度、混合比都要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。”星河動(dòng)力液體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，此次試驗(yàn)的推進(jìn)劑流量范圍3.2kg/s-7.8kg/s，混合比范圍0.3-0.5，室壓范圍4兆帕-8兆帕，覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)4：1深度變推力的全部工況范圍。

“特別是要滿足燃?xì)鉁囟染鶆蛐缘囊蟆?rdquo;該負(fù)責(zé)人向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹，為滿足燃?xì)獍l(fā)生器均勻燃燒的要求，團(tuán)隊(duì)對(duì)該組件同時(shí)完成3個(gè)改進(jìn)。他們首先優(yōu)化了低溫液氧和常溫煤油撞擊霧化參數(shù)，通過(guò)上百組互擊式噴嘴和邊區(qū)膜冷設(shè)計(jì)，形成高效的霧化混合效果。

氧化劑和燃料也被總稱為推進(jìn)劑，他們總是按一定的流量和混合比進(jìn)入燃燒室霧化、混合和燃燒。霧化使液體分散成微小液滴，通過(guò)霧化的氧化劑和燃料待在一起時(shí)更均勻，燃燒也更緩和。采用三股互擊的方式噴注氧化劑和燃料，比原先的二股互擊式提高了混合的效率。

燃?xì)獍l(fā)生器試車圖

控制燃?xì)鉁囟染鶆蛟谌細(xì)獍l(fā)生器中不是一件易事，因?yàn)檫@里面的溫差實(shí)在不小。以星河動(dòng)力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器為例，液氧的溫度是零下183攝氏度，煤油的溫度是25攝氏度，燃燒后有些區(qū)域是800攝氏度，中心區(qū)域是1200攝氏度，局部火焰區(qū)域可達(dá)3500攝氏度。

為控制溫度均勻，團(tuán)隊(duì)在燃?xì)獍l(fā)生器身部表面覆蓋一層膜燃料，待氧化劑和燃料燃燒充分以后將膜燃料混入燃燒區(qū)進(jìn)行冷卻，最終保證燃?xì)獍l(fā)生器出口處溫度為800攝氏度。如此一來(lái)，燃?xì)膺M(jìn)入渦輪泵也就不會(huì)損壞渦輪葉片。

膜燃料與燃燒區(qū)的高溫燃?xì)庑鑿?qiáng)迫摻混才能實(shí)現(xiàn)均勻。為此團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu)的擾流環(huán)，使燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部形成多個(gè)回流區(qū)，提升混合與燃燒效率。

傳統(tǒng)的桶裝燃?xì)獍l(fā)生器

這樣的設(shè)計(jì)在外形上就表現(xiàn)為球錐型多回流渦異形發(fā)生器。夏東坤對(duì)澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示，相比自上世紀(jì)90年代以來(lái)沿用至今的圓桶狀燃?xì)獍l(fā)生器，星河動(dòng)力團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的球錐型燃?xì)獍l(fā)生器屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

上述液體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，球錐型多回流渦異形發(fā)生器從球段到錐段以及燃?xì)獍l(fā)生器的出口處共有多個(gè)回流渦，以此增強(qiáng)出口燃?xì)鉁囟染鶆蛐浴?/p>