全球液氧甲烷火箭发动机研制进展系列-美国篇

1、概述

液氧甲烷火箭发动机具有无毒环保、高比冲、低成本、易于重复使用等特点，并且有在外星原位生产的潜力，能够较好地满足商业化火箭发射的需求，因此液氧甲烷发动机技术近年来随着私人商业航天企业的蓬勃发展而突飞猛进，世界各个国家和地区涌现出一批成熟度各异的有代表性的型号。本系列文章尝试对近年来液氧甲烷发动机研制进展进行一些梳理，以飨读者。

目前来说美国的液氧甲烷发动机技术是全世界最先进的，例如，SpaceX公司的猛禽发动机已经完成了10km高空跳跃试验，即将进行轨道试验；Blue Origin公司的BE-4发动机已完成热试车，即将安装到火神半人马火箭上进行联试。本系列第一篇文章介绍美国液氧甲烷发动机研制进展。

2、SpaceX公司 ——猛禽发动机

猛禽（Raptor）是美国SpaceX公司正在研发的一个液氧甲烷火箭发动机型号系列，计划作为星舰（Starship）和超重型助推器（Super Heavy booster）的主动力。猛禽发动机是世界上第一款实用化的全流量分级燃烧火箭发动机，亦是世界上第一款实用化的大推力液氧甲烷火箭发动机，从公开报道得到的信息来看，该系列发动机共有三个版本，分别为猛禽-1（Raptor-1）、猛禽-2（Raptor-2）和猛禽真空版（Raptor vacuum），其中猛禽-1和猛禽-2计划作为火箭主级使用，猛禽真空版计划作为上面级在真空和大气稀薄的火星表面使用。三个型号的具体参数如表 1所示：

表 1 猛禽发动机各版本具体参数

图 1 猛禽-1发动机照片

图 2 全流量分级燃烧循环示意图

猛禽发动机采用温度接近冰点的过冷态甲烷和液氧作为推进剂，这样的推进剂温度更低，密度更高，节省贮箱空间，同时也提高了发动机性能，使比冲增加，涡轮泵每单位功率泵送的推进剂流量也加大，并减少了涡轮叶片汽蚀的风险。但是，精确控温的推进剂对推进剂地面储存设备、加注设备提出了更高的要求，同时也非常考验火箭贮箱的热设计和热管理系统，要求十分精湛的设计技术和透彻的事先试验摸底。

猛禽发动机采用火炬点火器点火，而火炬点火器由双冗余的电火花点火器点燃，这使猛禽避免使用梅林系列上采用的TEA-TEB（三乙基铝/三乙基硼烷）火药点火装置，从而能够实现理论上无限次的重复启动。在喷注器方面，猛禽采用同轴涡流喷注器，而不是梅林系列的针栓式喷注器，这是为了方便喷注器采用3D打印工艺制造，节约成本并加快开发速度。除了喷注器以外，大量其他部件也采用3D打印制造，据报道，2016年试车的缩比发动机中有至少40%的部件是3D打印制造的，甚至还包括涡轮泵的一些组件。

猛禽发动机2009年立项，最早原本打算采用液氧液氢推进剂，但2012年11月SpaceX的CEO马斯克宣布，考虑到在火星上原位制造推进剂的可能性，猛禽将采用液氧甲烷推进剂。2013年10月，SpaceX宣布将对斯坦尼斯航天中心的试验台进行改造，使之支持液甲烷和气甲烷发动机试验，并在2014年4月完成了升级，并进行了喷注器的试验，2015年完成了全尺寸氧预燃室试验。从2015年4月到8月，共对预燃室进行了76次热试，总试验时间达400s。

2015年之前，猛禽发动机的研发全靠SpaceX公司自己的投资完成。2016年1月，美国空军对液氧甲烷火箭发动机表示出兴趣，认为这是两小时全球到达运载系统的关键技术，因此提供了3360万美元支持可重复使用猛禽发动机原型版本的研发，SpaceX随即在德克萨斯州中部的麦格雷戈试验场建造了一个新的发动机试验台。在这之后，猛禽发动机的研制开始加速。

2016年8月8日，加利福尼亚霍桑工厂制造的第一台猛禽火箭发动机运抵麦格雷戈试验场并于9月26日凌晨3点进行了点火试验。由于全流量分级燃烧循环系统复杂度较高，子系统相互之间高度关联，很难将每个子系统或部件（如涡轮泵、燃烧室、喷注器）单独拿出来进行试验，而一般的地面试验台无法满足全尺寸猛禽发动机的试验需求，因此这次试验中测试了一个1MN的缩比发动机，这台原型发动机成为RD-270（采用有毒推进剂）之后第三台经过试验的采用全流量分级燃烧循环的火箭发动机。据报道，发动机的涡轮泵产生了27MW功率，总计进行了9s的点火试验。

到2017年9月，猛禽-1的原型已经进行了42次整机测试，积累了1200s的点火时长，其中最长单次点火时间是100s，该时间长度并非发动机本身的极限，而是地面试验台推进剂贮箱容量仅能支持这么长时间。这些试验中猛禽发动机的室压被限制在20MPa，在后续的试验中才提升到25MPa。此外，试验中还测试了SX500合金，该合金具有很高的抗氧化性能，被用来制造氧涡轮泵叶片。大约在2018年年中，SpaceX发布参数称，海平面版猛禽喷管出口直径1.3m，海平面推力1700kN，比冲330s，这些参数与公开资料中猛禽-1的参数接近，可以推测，大约在这个时间点附近，猛禽-1初步定型。2020年8月18日，猛禽-1发动机在试验中达到了33MPa的室压，刷新了火箭发动机燃烧室压力记录。

猛禽-2是猛禽-1的进阶替代版本，也可以看做猛禽系列的定型版。与梅林系列相似，猛禽发动机的研发可能也是数个方案异步同时进行的，猛禽-2的开发在猛禽-1进行试验时即开始，并且明显吸收了猛禽-1的试验结果。猛禽-2在猛禽-1的基础上对涡轮机械、燃烧室、喷管和电子设备都进行了重新设计，由于结构已经定型，猛禽-2移除了大量管道和传感器，删除了一些零件并将许多活连接转为焊接连接，此后不再频繁拆换，进一步减少了发动机重量。此外，猛禽-2略微扩大了喉部面积，为此导致喷管面积比降低，海平面比冲下降了3s，但允许更多燃气流过喉部从而提高推力。

2019年9月，SpaceX表示，他们计划星舰第二级上的三个“海平面状态”发动机和第一级上所有发动机采用猛禽-2发动机，2021年12月18日，马斯克宣布猛禽-2开始生产，它的推力将超过2300kN。在2022年2月10日的星舰更新中，马斯克展示了猛禽-2的性能，以及它是如何简化设计并获得比原始猛禽-1更强大的推力的，一般认为在这时猛禽-1逐渐停产，库存的发动机在自然使用消耗后不再新生产，因此，猛禽-2估计是在2021年年中定型的，在2022年2月，其量产的生产速度已经达到每周5台，2022年3月30日，猛禽-2已经开始批量生产并交付给用于轨道测试的星舰使用。到2022年7月29日，最新一个交付的猛禽-2发动机编号已经达到SN-120，意味着这已经是第120台猛禽发动机。然而，猛禽-2的性能仍在持续改进中，2022年2月，猛禽-2的推力达到了2300kN，2022年6月，马斯克在推特上声称，猛禽-2推力达到2500kN也是可以实现的。目前，猛禽-2仍在持续改进中，SpaceX计划移除发动机上所有的法兰结构来减轻发动机重量。此外，他们还在研究取消喉部液膜冷却结构并降低头部参与液膜冷却喷注燃料的比例以进一步提高性能。

图 3 猛禽-1和猛禽-2性能对比

图 4 猛禽发动机试车照片

猛禽发动机先后宣布在三个型号的运载火箭上使用，先后是2016年提出的行星际运输系统（Interplanetary Transport System，ITS），2017年提出的大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket，BFR）和2018年提出的星舰（Starship），这三个型号的火箭实际上是继承关系。

在猛禽发动机缩比原型机完成9s点火试验的同一天，马斯克在国际航空大会（International Aeronautical Congress）上发表演讲，介绍了猛禽发动机和它的技术细节，并公布了雄心勃勃的ITS计划，披露了一款直径12米的大型运载火箭概念，专门用于行星际运输，马斯克还讨论了SpaceX火星运输任务的整体细节，包括ITS运载火箭的材料，发动机的数量和类型，推力，货物和乘客有效载荷能力，在轨推进剂补充装置，运输所需的大概时间和火星与地球发射的基础设施。ITS由三部分组成，第一部分是一级助推器（如图 5），直径12m，高77.5m，总推力130MN，由42台猛禽发动机组成，为三圈分布，外圈21台，内圈14台，这35台发动机是固定的，而中心的七台发动机能够摇摆，助推器通过调整中心发动机的方向和内外圈不同位置发动机推力能实现推力矢量控制；第二部分是第二级飞船，采用六台真空版猛禽发动机和三台用于降落的发动机，用于载人和载货；第三部分是二级的可选替换，专门用来运载燃料为太空中的其他飞船补加燃料。根据马斯克的说法，所有的ITS组件都具有重复使用能力。

图 5 ITS运载火箭助推器概念图

一年后的2017年9月29日，马斯克在澳大利亚阿德莱德举行的第68届国际宇航大会上公布了大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket，BFR）的详细计划，这是前面的ITS系统更加现实的修改版。在BFR中，火箭直径从12m减小到9m，第一级发动机从42台减少到31台，第二级则减少到6台，箭体采用碳纤维材料，能够在90分钟内把有效载荷运送到地球任何地方，可以“像撒土豆一样”把卫星发射到低地球轨道，还能运送货物到月球和火星，如果在轨道上补加推进剂的话，甚至可以在单次任务中登陆月球再返回地球。在这些功能中，90分钟全球到达的功能引起了美国军方的注意，美国空军空中机动司令部负责人在2018年8月讨论了使用BFR的可能性，他们估计这种运载能力在五到十年之间就能够具备。2018年3月，SpaceX开始制造BFR的首个原型。

2018年9月，马斯克宣布了BFR的后续计划并对BFR的组件进行了重命名，他把第一级助推器正式命名为超重型推进器（super heavy），第二级飞船命名为星舰（starship），这就是最新的星舰计划。在新星舰最初的版本中（如图 6），采用七台猛禽发动机作为动力，飞船后部有三个翼，前部有两个鸭翼，这些机翼能够在再入大气时提供一定的气动升力，而后部的三个翼还能在着陆时作为支撑腿使用。随后，新星舰很快进入到实际的制造和试验阶段。

图 6 星舰最早的概念图

2018年12月，SpaceX放弃了造价高昂、难以重复使用、并且在低温下呈现脆性的碳纤维材料，转而大胆采用虽然更重，但更加便宜可靠易维护的不锈钢来制造火箭外壳。同一时间，SpaceX开始制造星舰的技术验证机星虫（Starhopper），首台星虫验证机在2019年4月5日进行系留试飞，该验证机配备一台猛禽发动机，进行了大约1米高的飞行；第二台星虫验证机在2019年7月25日进行首次无限制试飞，该验证机同样配备一台猛禽发动机，进行了大约22秒的飞行，飞行高度大约18m；第三台星虫验证机在2019年8月27日进行试飞，该验证机进行了大约57秒的飞行，最大飞行高度达到150m。在第三次试验后，星虫被认为完成了技术验证的使命，随后退役并被拆解，其中一些可重复使用的零件被用于其他测试。

图 7 星虫验证机及其试飞

在星虫进行技术验证的同时，星舰的开发也没有停止，2019年5月，星舰修改了设计，采用六个猛禽发动机，其中三个是海平面版，另外三个是真空版。随后，星舰开始了密集的制造和试验过程，在2019年底至今不到三年时间内迭代了28个版本，在2021年7月还修改了一次设计，使真空版猛禽发动机数量增加到六台，并且计划把发动机全面换装为猛禽-2。2021年5月26日，星舰SN15首次飞行到10km高空并成功返回，开创了液氧甲烷发动机的新记录。现在，星舰已经全面转入轨道原型机研制阶段，Ship-20星舰完成了全套地面测试，而最新生产的星舰Ship-28已经是第五艘轨道测试版本的星舰，包括它在内，目前有四艘星舰已经完成组装或在等待试验。最新版的星舰照片如图 6所示。

图 8 星舰Starship

3、Blue Origin公司 ——Blue Engine 4

Blue Engine 4（BE-4）是Blue Origin（蓝色起源）公司正在研发的一款液氧甲烷火箭发动机，该发动机研发完全由蓝色起源公司的老板杰夫·贝索斯靠出售他私人持有的亚马逊公司股票所得资金来支持。最初，BE-4计划用于蓝源公司自己开发的New Glenn（新格伦）火箭，2014年蓝源公司与ULA（联合发射联盟）达成协议，敲定该发动机也将用于ULA的Vulcan Centaur（火神半人马）火箭。大体上来说BE-4的研发工作还未完成，技术成熟度大大不如猛禽发动机，因此许多技术参数并未最终确定，公开资料能够找到的具体参数如表 2所示：

表 2 BE-4具体参数表

图 9 正在转运的BE-4发动机

BE-4发动机采用分级燃烧循环，带有一个富氧燃烧的预燃器和一个同时驱动液氧泵和燃料泵的涡轮。该发动机的设计专注于提高可靠性和工作寿命，使用时遵循“取乎其上，得乎其中”的原则，按较大的性能裕度设计，实际使用时仅按中等性能使用，发动机采用静压轴承替代传统涡轮泵中的滚珠轴承和滚柱轴承，最大限度地提高寿命和可靠性。BE-4发动机采用自增压方式为贮箱内推进剂增压，节省了维持贮箱压力所需的氦气瓶，在减少重量的同时简化系统复杂度，并且可以少带一种介质，降低地面维护复杂性。此外，据报道，发动机在熄火后还能通过涡轮的水头压力再次点火启动。

BE-4最早在2011年开始研制，2014年，该型号宣布将用在运载火箭上，当时蓝源公司计划2017年之前准备好飞行。2015年开始，BE-4的研制工作开始分为两条并行支线，其中一条支线致力于测试发动机的全尺寸部件，包括阀门、涡轮泵、喷注器和燃烧室，另一条支线对发动机的整机缩比样机进行实验。2015年9月，BE-4组件已经完成预燃室、燃烧室和喷注器的许多验证，并用试验结果修正喷注器性能、传热和燃烧稳定性模型。同年发动机在试验时试验台发生爆炸，随后蓝源公司又建造了两个具备测试全推力BE-4发动机的试验台作为备份。从这个时候开始，BE-4的研发进度开始加快。

蓝色起源公司研制火箭发动机的思路与SpaceX公司截然相反，SpaceX公司并行制造大量不同方案的火箭发动机，通过不断的设计-生产-试验循环来获取数据并反馈到设计中，从来不会等到所有的技术问题全部解决才开始试验，而是通过连续不断的试验来解决层出不穷的技术问题。蓝源公司则更像传统的火箭发动机研发机构，每一步都稳扎稳打，对技术问题一点一点地验证，试验中一步一脚印地提高发动机参数。

2017年3月，首台BE-4发动机完成组装，5月13日，发动机在试验时发生异常，损失了一台动力总成，但没有影响到总体的进度。同年10月，BE-4首次试车，以50%的推力进行了3s点火试验，这次试验多少恢复了之前试验台爆炸后大家对BE-4失去的信心。

图 10 2017年10月BE-4首次试验

2018年3月，蓝源公司在社交媒体平台上发布BE-4的试验视频，声称BE-4完成了一次扫混合比的试验，试验推力达到65%总推力，发动机工作时间114s，蓝源公司认为，通过这次试验证明甲烷是一种非常优良的燃料。5月，蓝源公司提出目标，在未来的几个月内把推力提升到70%。9月11日，在巴黎举行的世界商业卫星周会上蓝源公司的CEO鲍勃·史密斯提到，BE-4发动机已经完成了数百秒的测试，其中包括一项200s的试验，同一个会议上，AR1发动机开发者Aerojet Rocketdyne总裁兼CEO也承认，与BE-4竞争在火神火箭上的主发动机地位的AR1发动机性能不如BE-4。

图 11 2018年3月BE-4 65%推力试验

尽管获得了对手高度评价，但BE-4的试验进展仍然缓慢。2019年2月，BE-4已在地面进行了超过1800s的热试车，但发动机推力最大没有超过73%设计推力，一直到2019年8月，BE-4才进行了首次全推力的热试车。2020年5月，BE-4进行了全推力状态下8°摇摆试验，总试车时间累积达2500s。

图 12 2019年8月 BE-4全推力热试车

2020年7月，蓝源公司宣布首台BE-4的原型机已经交付给联合发射联盟用于在火神半人马火箭上的联合测试，8月，联合发射联盟CEO托里·布鲁诺说第二台原型机将很快交付，但他也注意到BE-4的涡轮泵存在问题，蓝源公司仍在解决这个问题，他相信这些问题很快就会解决。10月，布鲁诺说问题已经解决，发动机很快就要投入生产。然而，事实并非如此，BE-4并没有很快解决问题并量产，它面临的困境已经越来越遮掩不住：原定于2017年的首飞计划已经推迟了四年，发动机涡轮泵、燃烧不稳定性、冷却能力不足和实际寿命短于设计寿命的问题层出不穷，解决遥遥无期，蓝源公司管理问题导致制造发动机的硬件短缺，完成组装的发动机不多，试验台空置时间延长，公司CEO和杰夫·贝佐斯也因为重组公司管理层的工作未能将足够的精力放在发动机开发上，给予发动机技术团队足够的优先级，因此BE-4进行一次全推力全工作时长的热试车要花费相当的努力。2021年8月，蓝源公司做了一个冒险决定，将未完全组装完成的首台飞行产品运送给联合发射联盟，强行满足交付时间要求，而真正组装在2022年初才完成。

进入2022年后，BE-4的情况似乎好转起来，第二台飞行产品7月份组装完成，两台发动机同时出现在蓝源公司肯特工厂。

图 13 2022年7月BE-4两台飞行产品同框

2022年7月底，一台BE-4进行变推力试验，发动机在45%-100%推力之间稳态工作超过256秒，图 14是发动机试验照片，图中的白色线显示了推力变化的情况，在试车的视频录像中可以看到发动机喷出的羽流长度随推力水平变化。

图 14 2022年7月底 变推力试验

2022年10月初，BE-4的2号飞行产品被运往位于西德克萨斯迪凯特的联合发射联盟火箭工厂先行安装，1号产品在十月底完成测试后也被运往此处，11月1日，两台BE-4在工厂聚首，后续将安装到火神火箭上进行测试。

图 15 2022年11月1日，两台BE-4飞行产品在ULA的工厂内

BE-4原计划在三种型号的运载火箭或航天飞机上使用，包括联合发射联盟的火神半人马火箭，蓝源公司自己的新格伦火箭，还有波音公司的XS-1航天飞机。其中火神火箭的第一级采用两台BE-4发动机，前面已经提到，不断跳票的BE-4最近已经运到联合发射联盟的工厂，正在安装到火神火箭上。新格伦火箭第一级采用7台BE-4发动机，最早计划在2020年挂载飞行，但由于BE-4研制进度的拖延、火神火箭的争夺和产能不足，该计划已经延期到2022年底，并且从目前的情况看，可能还要继续延后，这使新格伦失去了国家安全太空发射（NSSL）项目第二阶段的参与权，蓝源公司在这一阶段输给了联合发射联盟和SpaceX。XS-1航天飞机在2014年开始开发，2015年传出消息，可能采用BE-4的衍生版本作为动力，但2017年Aerojet Rocketdyne的AR22被选中，BE-4确定出局。因此，目前来看，在未来的一段时间里，如果想关注BE-4在火箭上的实际应用，多半只能关注火神火箭的研制进展了。

4、其他公司

4.1Rocket Lab公司——Archimedes（阿基米德）

Rocket Lab早年开发了首个采用电动泵增压的火箭发动机卢瑟福（Rutherford）并将其用在电子（Electron）火箭上。2021年3月1日，Rocket Lab宣布将研制中子（Neutron）火箭，其针对小型行星际运输需求和近地巨型星座建设需求，将用于把8吨载荷送入近地轨道。最早发布的中子火箭设计高40米，直径4.5米，第一级可重复使用，在海上平台着陆回收，并且采用RP-1煤油和液氧作为推进剂。

2021年12月2日，Rocket Lab发布了中子火箭的新设计，把火箭直径增加到7米，修改了火箭飞行任务剖面，把海上回收替换为发射场回收，并把推进剂换成了液氧和甲烷，并且宣布将开发名为阿基米德的新型发动机。

阿基米德发动机的最初设计据称采用燃气发生器循环，额定推力为1000kN，比冲320s，中子火箭第一级采用七台阿基米德发动机，总起飞推力5960kN，总峰值推力达7530kN，第二级采用一台真空版阿基米德发动机，真空推力1110kN。在发布之时，Rocket Lab预计阿基米德发动机将在2022年进行首次热试车，但到了2022年9月21日，发动机的设计再次更改，为了在不牺牲比冲的前提下降低涡轮温度，循环方式由燃气发生器循环改为富氧分级燃烧循环，额定推力减小到730kN，真空比冲增加到329s，同时具有50%~100%的推力调节能力，而真空版阿基米德发动机额定推力减小为890kN，真空比冲367s，与海平面版本具有同样的变推能力。以上更改说明该型发动机仍未定型，基本不可能实现原定的2022年首次热试车。目前，Rocket Lab计划在2022年完成预燃室测试，在2023年完成整机测试，并在2024年发布成品。

图 16 阿基米德发动机概念图

4.2 Relativity Space公司——Aeon系列

Relativity Space总部位于加州洛杉矶，于2015年成立。据说该公司的两位CEO成立Relativity Space是因为他们原来所在的NewSpace公司没有充分挖掘3D打印技术的潜力，因此他们想让Relativity Space成为第一家将全3D打印火箭送入轨道的公司。

2017年，Relativity Space宣布开发Terran 1火箭，该火箭能将1250kg载荷发射到LEO轨道。火箭由两级组成，第一级采用9台Aeon 1液氧甲烷发动机提供动力，第二级采用1台Aeon 1真空版提供动力。Aeon 1采用燃气发生器循环，单台推力100kN，Aeon真空版推力单台推力126kN，它们均采用3D打印技术（选择性激光烧结）制造，整台发动机零件数量不超过100个。Relativity Space在2022年2月宣布他们已经在NASA斯坦尼斯航天中心E-3试车台上完成了Aeon 1发动机的超过500次热试车，采用Aeon 1发动机的Terran 1火箭计划在2022年11月进行首次无载荷试飞。下图是Relativity Space网站上发布的Aeon 1发动机试车视频截图。

图 17 Aeon 1发动机试车

2021年，Relativity Space公司宣布基于Terran 1火箭的技术开发可重复使用的Terran R（R代表reusable）火箭，该火箭有效载荷提升至20吨，第一级采用7台Aeon R发动机，第二级则使用经过升级的Aeon 1发动机和铜燃烧室。Aeon R发动机据称可达1100kN推力。

虽说有试车的视频，但公开资料中很难找到Aeon系列发动机的详细参数和试车数据，也许在不久的将来会有更多信息发布，但目前难以判断Aeon系列的实际性能。

5、总结

总体来看，美国液氧甲烷发动机研制呈现“均匀分布”局面，各家公司发动机研制进度参差不齐，最领先的猛禽发动机即将进入轨道飞行试验，其他公司中比较领先的如BE-4已经完成单机试车，即将安装到火箭上，稍落后些的正在进行系列单机试车，更落后的则可能还停留在纸面上。但是，值得注意的是，虽然水平参差不齐，但由于研发起步较早，技术基础扎实，加上资本环境友好，管理水平高，美国最领先的一批液氧甲烷发动机型号研制进度可以说是一骑绝尘，我国若想在这方面有所建树，仍然需要管理者、投资人和技术人员共同付出大量努力。

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