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本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：孙海宇（航天推进技术研究所）、单磊、王凯、张锦荣（西安航天动力研究所），原创标题：《上级液体火箭发动机研制概况》，标题图片来自：《流浪地球2》
上级是介于基础级火箭和有效载荷之间相对独立的载体。 它是一种新型的太空运输工具，俗称“航天飞机”。 有效载荷由基础级火箭发射到准地球轨道或地球轨道等过渡轨道后，可通过上级的飞行进入预定工作轨道或预定空间位置。 通过增加上级，可以显着提高运载火箭的运载能力，扩大运载火箭的任务适应性。
上级发动机是提高上级运载能力和多任务适应性的关键和核心。 纵观国内外上级，大多采用液体火箭发动机作为上级的主动力。 与基础级发动机相比，上级液体火箭发动机在工作性能、工作环境、启动次数、在轨时间等方面都有所不同。 一般来说，上级对发动机有以下要求：
(1)真空比冲性能高。 提高上级发动机真空比冲和发动机性能，从而提高上级承载能力。 为提高真空比冲，可采取优化发动机方案、采用高能液体推进剂、增大推力室面积比、增设可伸缩喷管等措施。
(2)可以多次启动。 通过增加发动机启动次数，一方面可以采用轨道滑动方式提高上级的运载能力，另一方面可以提高上级的多任务适应性。
（三）延长工作时间。 通过延长发动机运行时间来提高上级多任务适应性。
(4)结构轻量化。 活动阶段结束后，上阶段将与负载一起在轨道上运行。 其减重设计有助于增加有效载荷的质量。 因此，上级发动机结构的轻量化设计是一项非常重要的研究。 工作。
(5)任务适应性强。 不同的飞行任务需要不同特性的推进系统。 除了需要不同的推力水平之外，它们还需要不同的任务周期。 上级发动机应强调提高任务适应性，这可以通过上级的模块化设计来实现。
1.国外上级发动机的发展历史
国外上层装备的研制起步较早。 20世纪50年代和60年代以来，美国、苏联/俄罗斯和欧洲国家对多种上级发动机进行了研究，并不断改进。
(1) 美国
美国的上级发动机主要有使用常温自燃推进剂的“阿吉纳”发动机，以及使用液氧和液氢推进剂的RL-10系列发动机。
“秋名”发动机是美国贝尔宇航公司于1959年研制的通用上级发动机，从1959年首次发射到1987年退役，“秋名”系列发动机成功用于“雷神”号“德尔塔”“宇宙”和“大力神”运载火箭累计成功发射361次。
“秋名”发动机的早期型号LR-81-BA-9发动机采用高密度硝酸/UDMH推进剂、气体发生器循环、火药启动器启动，可启动3次。 “秋名”D改进型上级采用LR-81-BA-13（8247）发动机，使用启动箱启动，具有在太空启动15次的能力。 “秋名”D上级贝尔8247发动机总装结构及系统原理如图1所示。
改进后的“秋名”D上级于1962年投入使用，发射了KH-7和KH-8侦察卫星等，并将美国国家航空航天局（NASA）月球探测器送入月球轨道。 “秋名”上级最著名的应用是“双子座”载人飞行计划中六艘航天器与目标飞行器（即“秋名”上级）的对接，以模拟月球任务所需的技术。
图1 “秋名”D上级贝尔8247发动机总装结构（a）及系统示意图（b）
RL-10液氧液氢发动机是美国普惠公司于1958年至1963年研制的上级发动机，最初用于土星一号火箭和半人马系列火箭的通用上级。 RL-10系列是典型的低温推进剂发动机。 采用液氧、液氢膨胀闭式循环及泵供系统。 它可以多次启动并双向摆动。 改进后的RL-10B-2发动机喷管延伸段可伸缩，喷管面积比增大至250。“太空发射系统”（SLS）火箭的上级主机是RL的最新改进型-10系列发动机RL-10C。
此外，普惠公司于2001年开始研发新一代RL-60低温上级发动机。这款发动机是在RL-10系列发动机的基础上开发的。 其结构尺寸与RL-10发动机基本相同，但推力提高到RL-10B-2发动机的2.5倍，发动机的真空比冲也有所提高。 RL-10B-2发动机与RL-60发动机基本参数对比如表1所示。发动机外观及系统原理如图2所示。
表1 RL-10B-2发动机和RL-60发动机主要参数
图2 RL-10B-2发动机和RL-60发动机
(2)苏联/俄罗斯
苏联/俄罗斯较早开发的上级发动机是S5.92发动机（见图3），用于“弗雷格特”上级。 该发动机由化工机械设计局于1962年设计，采用气体发生器循环。 泵式输送系统，推进剂为四氧化二氮/均匀二甲肼，可常温保存。 设计重复使用20次，实际验证6次。 工作时间为900s。 通过节流调节，发动机可工作在两种模式下，真空推力分别为19.85kN和14.00kN，比冲分别为3243.8m/s和3096.8m/s。
高推力模式可以让“弗雷格特”上级进行较大速度变化下的轨道机动，低推力模式可以让“弗雷格特”上级进行高精度或更小的速度变化下的轨道机动。 该发动机不仅可以将有效载荷发射到圆形或椭圆形近地轨道，还可以实现轨道高度400~的各种圆形轨道、椭圆轨道和甚高椭圆轨道、太阳同步轨道和极轨道以及地球同步转移。 在轨道、地球静止轨道、甚至逃逸轨道等不同轨道上执行任务。 该发动机目前已退役。
图3 S5.92发动机
1987年，苏联在S5.92发动机的基础上研制了S5.98（又称14D30）发动机（见图4）。 该发动机用于赫鲁尼切夫国家研究与生产航天中心研制的“微风”M上级。 。 该型发动机为泵式发动机，采用四氧化二氮/均匀二甲肼储存自燃推进剂。 具有13.7~19.6kN范围内的变推力能力，多次启动设计能力不低于20次，比冲为3165~3224m/s，发动机混合比为1.95~2.05，最大工作时间1350s，发动机干质量75kg火箭发动机原理国外，发动机尺寸677mm×838mm×，空间在轨能力不小于3年。
图4 S5.98发动机
20世纪50年代，苏联开始研制液氧煤油推进剂的上级液体火箭发动机。 最具代表性的发动机是RD-58系列发动机。 该系列发动机由能源火箭发射设计局研制，应用于“质子”、“太空”、“安加拉”等多种类型火箭的上级，具有多次启动的优点（7倍），高性能和高可靠性。 它已成为俄罗斯使用最广泛、发射次数最多的上级发动机。 RD-58因此开发了多种型号，包括RD-58M、RD-58S、RD-58Z、RD-58MF等。
RD-161发动机是俄罗斯20世纪90年代开发的最新液氧煤油推进剂上级发动机。 采用富氧补燃循环、等离子点火、启动箱启动、预压泵反摆方式，具有多次启动能力（17次），可长期在轨（设计在轨时间）是10天）。 RD-161发动机是一款高性能发动机。 其推力室压力高达12MPa，混合比高达2.6。 这使得在使用合成煤油时其真空比冲可以达到360s。 加上加长段后，比冲高达365s，接近液氧煤油。 发动机比冲极限。
此外，俄罗斯还研制了液氧和液氢膨胀循环RD-0146上级发动机。 目前，在俄罗斯上级发动机领域，常温推进剂发动机和低温推进剂发动机并存。 苏联/俄罗斯主要上级发动机如图5所示，主要参数如表2所示。
图5 苏联/俄罗斯低温上级发动机
表2 苏联/俄罗斯上级发动机主要参数
(3) 欧洲
欧洲国家的航天活动主要是商业发射。 上级发动机包括使用四氧化二氮/一甲基肼推进剂的挤压供给系统“Estos”（）发动机和泵式气体发生器。 带循环的RS-72发动机和带液氧、液氢膨胀循环的Vinci发动机如图6和图7所示。
图6 “Estos”发动机（左）和RS-72发动机（右）
图7 Vinci引擎
“Estos”发动机是“阿里安”5号火箭EPS上级及其改进型EPSV上级的主发动机。 该发动机由位于德国奥托布伦的 航空航天推进中心开发。 1988年开始研制，该发动机采用挤压供油方案，燃烧室压力1.1MPa，推进剂为四氧化二氮/一甲基肼，具有多次启动能力。 其推力室采用同轴喷油器，机体采用再生冷却方案。 燃烧室燃烧效率超过98%。 其优秀的推力室设计使发动机能够达到3177m/s的真空比冲。
RS-72发动机由和美国波音公司联合开发。 该发动机采用了公司研制的“Estos”发动机的推力室和XLR-132发动机的涡轮泵。 它是在气体发生器、阀门和控制元件的基础上开发的，采用气体发生器循环，推进剂为四氧化二氮/一甲肼，具有不少于20次的多次启动能力。 由于采用泵供压，发动机燃烧室压力由“Estos”发动机的1.1MPa提高到6MPa，发动机真空比冲进一步提高到3315m/s，达到常温推进剂的最高水平引擎。
Vinci发动机是阿丽亚娜5号火箭ESC-B上级的主发动机。 该发动机由法国公司于1998年开发。Vinci发动机采用液氧和液氢推进剂，供给方案为膨胀循环。 发动机推力180kN，真空比冲4660m/s。 Vinci发动机系统示意图如图8所示。欧洲上级发动机主要参数对比如表3所示。
图8 Vinci发动机系统示意图
表3 欧洲上级发动机主要参数
2、我国上级发动机的发展历史
我国的上层技术起步较晚。 20世纪90年代中期，我国研制成功固体上级。 “长征”二号丙火箭采用带分配器的三轴稳定上级。 它利用固体发动机推动2颗“铱”星被送入近地轨道。 在此基础上，我国研制了自旋稳定固体上级“长征二号C-SMA”和“长征二号C-SMB”，并成功发射了空间探测卫星。
2008年，为提高上级任务适应性，我国开展了“远征”系列液体上级YF-50D主机研制。 该发动机采用泵式气体发生器循环方案，推进剂采用四氧化二氮/偏二甲肼，可储存自燃推进剂，真空推力6.5kN，真空比冲3099m/s，具有二次启动能力（参见图 9）。 2015年，YF-50D主机首次应用于“长征三号丙”火箭“远征一号”上级，并在此基础上推出了“远征”二号上级和“远征”1S开发了上级。 等，已与“长征”三号B火箭、“长征”五号火箭、“长征”2C火箭等组合使用，可直接完成多种任务载荷的发射任务轨道。 其中，“远征一号”上级与“长征三号乙”火箭组合成功发射“北斗”三号组12颗中圆轨道卫星，圆满完成“北斗”三号全球卫星导航系统组网任务。
图9 YF-50D发动机
2013年，为满足“远征号”上级多次变轨的任务要求，研制团队在YF-50D发动机的基础上开展了多启动上级发动机的研制。 该发动机在YF-50D发动机的基础上增加了启动功能。 箱式多次启动系统使发动机能够实现不少于20次的启动能力。 2016年，该发动机应用于“远征一号A”上级，并随“长征七号”火箭完成首飞。 成功进行9次启动，圆满完成首飞任务。
为进一步提高上级液体火箭发动机的性能，拓展发动机的功能，西安航天动力研究院针对上级液体火箭发动机开展了一系列关键技术攻关工作，突破了上级液体火箭发动机的技术瓶颈。上级泵送液体火箭发动机多次启动技术。 、性能精密控制技术、双模式工作技术等一系列新技术为后续上层功能的进一步拓展提供了技术基础。
此外，我国还研制了“远征”3上级。 该上级采用挤压方案，真空推力为5kN。 2018年12月随“长征二号丁”火箭完成首次飞行应用。同时，我国还开展了低温推进剂上级发动机的研制。 现已完成2吨级液氧煤油推进剂上级发动机关键技术研究工作，填补了我国低温推进剂上级发动机的空白。
3、上级发动机发展趋势分析
(1)上级发动机的通用化、系列化
上级发动机应具有较强的通用性，通过局部改进或增减某些功能，可适用于多种上级发动机，执行多种发射任务。 以“秋名号”上级发动机为例，该系列发动机可应用于“雷神”、“德尔塔”、“宇宙”、“大力神”等多种运载火箭。 “Akina”的研发过程中，改进了许多衍生车型，不断提高发动机性能，并增加了新的功能。 例如，LR-81-BA-13发动机已从原型机的3次启动改进为15次。 启动，大大扩展了发动机的应用范围。
此外，虽然单一系列的上级发动机可以执行多种任务，但由于推力水平、推进剂类型等限制，并不能适合所有的上级任务。液体动力技术，上级发动机需要不断更新。 美国、俄罗斯、欧洲开发了多个系列的上级发动机火箭发动机原理国外，以满足各种任务的需要。
除“秋名”常温上级发动机外，美国还开发了RL-10系列和RL-60系列低温上级发动机，目前正在进一步开发下一代液氧甲烷上级发动机； 俄罗斯开发了S5.92、S5.98系列常温上级发动机，以及RD-58、RD-161、RD-0146等系列低温上级发动机； 欧空局还开发了“Estos”、RS-72和Vinci等系列上层发动机。
(2)提高发动机比冲性能
对于多级火箭来说，提高上级发动机的性能比提高基础级的性能更能显着提高有效载荷质量。 提高发动机性能的方法有多种：
(1)采用高能推进剂/先进推进剂组合；
(2)采用闭式循环方法，提高发动机燃烧室压力，减少辅助系统的比冲损失；
（3）通过优化混合比、增大喷嘴面积、提高燃烧效率，不断改进现有发动机的性能。
典型代表有“秋名”发动机，将红烟硝酸/煤油组合推进剂替换为红烟硝酸/均二甲肼，其性能得到显着提高； RD-161液氧煤油发动机采用高压加力循环技术，燃烧室压力12MPa，面积比370，真空比冲达到3579m/s； RL-10B-2发动机面积比由原来的40增加到250，真空比冲增加到4530m/s。
(3)推进剂品种多样化，发展低温无毒高档品
目前，美国、俄罗斯和欧洲已开发出多种推进剂组合的发动机。 其中，使用常温推进剂的发动机主要用于传统型号的上级。 典型代表型号有美国“Akina”系列发动机、俄罗斯S5.92和S5.98发动机、欧洲“Estos”发动机。 发动机等，其中“秋名”系列发动机和S5.92发动机已退役。 常温推进剂上级发动机具有自燃、使用和维护方便、可长期在轨工作等优点。 但该推进剂毒性较大，污染环境，比冲性能低于液氧煤油、液氧甲烷、液氧甲烷。 液氧、液氢等低温推进剂。
近年来，特别是商业航天蓬勃发展以来，使用低温无毒推进剂已成为液体火箭发动机的发展趋势。 美国、俄罗斯和欧洲已开发出各类低温无毒推进剂上级发动机。 具有代表性的有美国RL-10、RL-60系列液氧、液氢发动机，俄罗斯RD-58、RD-161液氧、煤油发动机，RD-0146液氧、液氢发动机，欧洲Vinci液氧、液氢发动机等。此外，这些国家和地区还开展了液氧甲烷上级发动机的研究。 与常温推进剂相比，低温发动机具有比冲性能较高、绿色无毒等优点，但也存在使用维护复杂、长期在轨蒸发损失大等问题。
从两种推进剂的特点来看，低温绿色推进剂是液体火箭发动机的发展方向，但常温推进剂上级发动机也有继续发展的空间。 由于室温推进剂可以预先包装，并可以通过凝胶化的方式进行长期储存和机动储存，因此室温推进剂上级在卫星快速发射和战时卫星网络修复等紧急任务中仍然发挥着不可替代的作用。
（四）积极研究新型上级推进技术
目前，各国现役的所有上级均采用化学推进系统。 然而，经过几十年的发展，传统化学推进系统的性能已经达到极限，没有太大的发展空间。 近年来，各个航天国家加大了非化学推进的研究力度，以显着提高上级的性能。 非化学推进主要分为两类：一类是直接加热推进，包括太阳能推进、核热推进； 另一种是电力推进，包括电热式、电磁式、静电式等，其中一些已应用于发动机。 鉴于非化学推进系统比冲性能高、结构简单，可以预见，非化学推进上级将在不久的将来出现，并在运载火箭中占据一席之地。
在美国SLS火箭上级动力系统论证过程中，除了传统的RL-10系列化学火箭发动机外，项目组还大力研发了核热推进系统（NTP）和太阳能电力推进两种系统。系统（SEP）。 新上层推进方案论证工作。 根据论证结果，在这三种动力解决方案中，用于地月间太空运输的太阳能电力推进解决方案更具优势，而对于更远的星际运输，核热推进系统是更有效的动力解决方案。 尽管由于技术成熟度、成本等原因，NASA最终选择了RL-10C发动机，但这次演示过程表明，新型推进系统在未来太空运输领域具有光明的前景。
4、国内外主要差异
目前，我国在上位发动机领域与国外先进水平还存在以下几个方面的差距。
(1)发动机推力小。 目前，我国现役的“远征”系列上级发动机的推力水平为5～6.5kN水平。 推力小，与国外最大几百千的上级发动机差距较大。
(2)发动机比冲性能低。 目前，国外先进的低温上级发动机真空比冲可达4600m/s以上。 常温上级发动机方面船舶电子与信息设备保养，欧洲RS-72发动机真空比冲达到3315m/s，“远征”系列上级发动机真空比冲最高。 真空比冲仅为3099m/s，与国外先进水平有显着差距。
(3)需要研制低温上级发动机。 目前，我国现役的“远征”系列上级发动机均采用室温推进剂。 虽然液氧煤油上级发动机已经研制成功，但与工程应用还有一定差距。 同时，在液氧、液氢、液氧甲烷上段发动机方面，我国尚属空白。
(4)发动机任务适应性有待扩展。 在通用上级发动机的研制过程中，国外许多发动机形成了具有不同扩展功能模块的衍生型号，如多次启动、长期在轨功能等，这使得一系列发动机能够适应不同的模式上级发射任务。 ; 目前，我国“远征”系列上级发动机型号单一，缺乏扩展功能，难以应对多变轨、多轨道分散、长期在轨待命等新任务。
五、我国上级发动机发展思路
(1)提高发动机推力和比冲性能
提高上级发动机的性能可以增强上级的运载能力和多任务适应性。 目前我国服役的“远征”系列上级发动机推力水平较小，难以适应大质量有效载荷的发射要求。 需要研制20～200kN的大推力上级发动机，为未来大型火箭乃至重型火箭上级提供可靠动力。
在提高发动机的比冲性能方面，可以采取两种途径：一方面，可以通过更换高能推进剂、优化混合比、提高燃烧效率等方法来提高现有发动机的比冲性能；另一方面，可以采取以下措施来提高发动机的比冲性能。 另一方面，可以开发新的高性能技术。在先进发动机的开发中，通过采用闭式循环、低温推进剂等方法来实现高比冲性能。
（二）大力发展低温上级发动机
目前，随着各国对环境保护的重视和商业航天的发展，低温无毒推进剂已成为液体火箭发动机发展的趋势。 各航天国家已研制出多种类型的低温推进剂上级液体火箭发动机并逐步淘汰。 常温发动机。 目前，我国现有的“远征”系列上级液体火箭发动机均采用室温推进剂，液氧煤油推进剂上级液体火箭发动机还处于研发阶段。 未来，我国需要加大在低温上级液体火箭发动机领域的研发力度。 不仅要发展液氧、煤油上级发动机，还要发展液氧、液氢甚至液氧甲烷发动机，这样才能在商业发射领域占据有利地位。
（3）开展上级常温快速发射技术研究
与低温上级发动机相比，常温推进剂发动机在长期在轨能力和维护方面具有显着优势。 一方面可用于需要长期在轨工作的上级任务，如轨道备份、深空探测、星际运输等； 另一方面，常温推进剂上级在推进剂凝胶化后可长期预封装。 存储可用于某些重点区域卫星的紧急发射任务。 后续应开展常温推进剂上级发动机长期在轨技术、快速使用与维护技术、预装技术等关键技术研究，为先进常温推进剂研制奠定基础。未来的高温推进剂上级发动机。
(4) 上级发动机系列化开发
未来上级任务模式的多样性决定了通用上级发动机要适应不同任务的要求，这就要求发动机能够灵活配置不同的功能模块，形成一系列的功能系统。
在前期研制过程中，我国在上级发动机多次启动、长期在轨、多模式运行、姿态轨道控制一体化等多项关键技术上取得了突破。关键技术应集成到不同的功能模块中，并可与通用发动机灵活组合，形成不同功能的系列产品，从而大大提高上级发动机的任务适应性。
(5)利用电泵增压系统解决方案开发新型智能控制上级动力技术
目前船舶自动化设备维修，国内外泵式上级发动机基本采用传统的燃气发生器循环、膨胀循环或补充燃烧循环方案。 发动机运行的稳定性、性能精度和可靠性有待进一步提高。 近年来，随着电池，电动机和集成电子控制技术的迅速开发，新的电动泵式液体火箭发动机迎来了主要开发机会。
电动泵式发动机破坏了传统的涡轮泵气体泵式泵送液体火箭发动机供应模式。 它使用高能电池和电动机驱动泵来增强推进剂，从而提供一种新型的可变性和智能发动机。 想法和有效的方法。 近年来，我国可以利用电池，电动机和智能控制的技术积累通过跨场合作进行自我调节。 （本文最初发表在《中国航空航天》第5期，2023年）
关于作者：研究人员Sun Haiyu长期以来一直从事我国家液体火箭发动机的模型开发和技术管理。 他一直负责“漫长的游行”系列第一和第二阶段发动机，高层发动机和各种研究前引擎。
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