民營火箭企業(yè)星河動力(北京)空間科技有限公司(下稱“星河動力”)“智神星”重復(fù)使用中型液體運載火箭研制又有新突破。7月5日至7月6日，該型火箭40噸級重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動機燃氣發(fā)生器兩天內(nèi)完成7次點火試車，累計試車時間380秒，單次最長工作時間100秒。

星河動力燃氣發(fā)生器點火試車

試驗數(shù)據(jù)初步分析表明，燃氣發(fā)生器啟動和關(guān)機正常，試驗數(shù)據(jù)與預(yù)調(diào)值吻合，出口火焰穩(wěn)定;試驗最大特征速度效率接近100%，出口燃氣溫度均勻性小于等于±28℃，無啟動溫度峰等。星河動力方面表示，各項指標均已達到國際先進水平。

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

星河動力(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”系列小型固體運載火箭發(fā)射服務(wù)，二是“智神星”系列中型液體運載火箭發(fā)射服務(wù)等。

SpaceX梅林(Merlin)發(fā)動機試車圖

這家火箭民企的目標是造出中國的“獵鷹9號”，其自主研制的液氧/煤油發(fā)動機正是對標“獵鷹9號”的梅林發(fā)動機。星河動力小型固體火箭“谷神星一號”面向低軌商業(yè)小衛(wèi)星市場，預(yù)計2020年3月首飛，中型液體運載火箭“智神星一號”預(yù)計2022年12月首飛。

如果渦輪泵是心臟，燃氣發(fā)生器就是心臟起搏器

7月6日上午，在試驗現(xiàn)場，監(jiān)控室內(nèi)的工作人員校對工況參數(shù)。監(jiān)控畫面上，地面持續(xù)噴水降溫。隨著一聲鳴響，液體發(fā)動機燃氣發(fā)生器再次點火，火焰“啪”一聲從噴管中噴出，隨后噴出的高溫燃氣彌漫在試車臺所在的山谷中，而原本銀色的排氣管已經(jīng)“燒”紅。工作人員說，這臺燃氣發(fā)生器已經(jīng)歷第6次點火，試驗過燃料和氧化劑不同混合比以及多種壓力、氣溫下的工況。

星河動力球錐型燃氣發(fā)生器

燃氣發(fā)生器是火箭發(fā)動機中產(chǎn)生燃氣的組件，通過產(chǎn)生高溫高壓的燃氣驅(qū)動渦輪泵工作。要了解燃氣發(fā)生器，還要從渦輪泵講起。

火箭發(fā)動機中的渦輪泵是對氧化劑和燃料進行增壓的一種聯(lián)動裝置，來自貯箱的氧化劑和燃料經(jīng)渦輪泵增壓后可供應(yīng)到推力室進行燃燒。推力室是火箭發(fā)動機中完成推進劑能量轉(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入推力室燃燒?這就需要依靠燃氣發(fā)生器的驅(qū)動。星河動力聯(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入推力室燃燒，還有一小部分進入燃氣發(fā)生器。燃氣發(fā)生器燃燒后形成的高溫高壓燃氣推動渦輪泵再吸推進劑，一小部分推進劑進入燃氣發(fā)生器，大部分進入推力室，由此形成循環(huán)。形象地講，如果渦輪泵是心臟，那么燃氣發(fā)生器就是心臟起搏器。

要讓整個火箭系統(tǒng)順利工作，燃氣發(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渦輪葉片能承受的溫度，也就是800攝氏度。

如果燃氣發(fā)生器燃燒不穩(wěn)定、燃氣溫度不均勻，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，無法實現(xiàn)多次使用目標，甚至燒掉渦輪泵。

滿足燃氣溫度均勻性，國內(nèi)首創(chuàng)球錐型燃氣發(fā)生器

“燃氣發(fā)生器要能變工況工作，壓力、溫度、混合比都要滿足發(fā)動機要求。”星河動力液體發(fā)動機技術(shù)負責(zé)人表示，此次試驗的推進劑流量范圍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)動機4：1深度變推力的全部工況范圍。

“特別是要滿足燃氣溫度均勻性的要求。”該負責(zé)人向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹，為滿足燃氣發(fā)生器均勻燃燒的要求，團隊對該組件同時完成3個改進。他們首先優(yōu)化了低溫液氧和常溫煤油撞擊霧化參數(shù)，通過上百組互擊式噴嘴和邊區(qū)膜冷設(shè)計，形成高效的霧化混合效果。

氧化劑和燃料也被總稱為推進劑，他們總是按一定的流量和混合比進入燃燒室霧化、混合和燃燒。霧化使液體分散成微小液滴，通過霧化的氧化劑和燃料待在一起時更均勻，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。

燃氣發(fā)生器試車圖

控制燃氣溫度均勻在燃氣發(fā)生器中不是一件易事，因為這里面的溫差實在不小。以星河動力液氧/煤油發(fā)動機的燃氣發(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3500攝氏度。

為控制溫度均勻，團隊在燃氣發(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)進行冷卻，最終保證燃氣發(fā)生器出口處溫度為800攝氏度。如此一來，燃氣進入渦輪泵也就不會損壞渦輪葉片。

膜燃料與燃燒區(qū)的高溫燃氣需強迫摻混才能實現(xiàn)均勻。為此團隊設(shè)計了特殊結(jié)構(gòu)的擾流環(huán)，使燃氣發(fā)生器內(nèi)部形成多個回流區(qū)，提升混合與燃燒效率。

傳統(tǒng)的桶裝燃氣發(fā)生器

這樣的設(shè)計在外形上就表現(xiàn)為球錐型多回流渦異形發(fā)生器。夏東坤對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示，相比自上世紀90年代以來沿用至今的圓桶狀燃氣發(fā)生器，星河動力團隊設(shè)計的球錐型燃氣發(fā)生器屬國內(nèi)首創(chuàng)。

上述液體發(fā)動機技術(shù)負責(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氣發(fā)生器的出口處共有多個回流渦，以此增強出口燃氣溫度均勻性。