液体火箭设计原理是怎样的？

动力系统是液体运载火箭极为重要的组成系统，发动机被誉为火箭的“心脏”。

1. 液体火箭动力系统的先进设计

火箭动力系统在设计前需要选择推进剂，出于供应和成本角度的考虑，液氧/甲烷 是商业液体火箭未来星际探索的有力保障。推进剂是发动机的“血液”，它的搭配方式 灵活多样。目前液体火箭的推进剂普遍采用氧化剂+燃料的双组元形式，备选燃料主要 有煤油、甲烷、液氢。发动机的比冲越大，完成相同工作量所需的燃料就越少，效率和能耗成本也就更优化。尽管液氢燃料发动机的比冲最大，但密度比冲最低，这意味着液 氢的贮箱体积更大，导致火箭的运载能力降低。甲烷发动机比冲次之，但密度比冲大幅 缩小。因此，甲烷燃料成为了一个折中的方案。此外，选用甲烷燃料的成本极低，仅为 液氢的百分之一。另外，甲烷制备相对容易，方便在外星球就地取材，并且不会产生积 碳问题，使发动机具备良好的回收适性。商业航天公司研制的液体火箭发动机一般选择 从技术成熟的煤油燃料入手。目前，国内的蓝箭和星际荣耀已积极开展甲烷发动机的研 制。23 年 7 月，蓝箭公司搭载天鹊-12 液氧/甲烷发动机的朱雀二号火箭发射成功，这是 全球首枚成功入轨的液氧甲烷火箭，对我国商业火箭事业意义重大。

发动机设计首先从循环方式的设计开始，全流量分级燃烧是目前火箭推进剂利用效 率最高的循环方式。循环方式，即发动机的推进剂输送系统，在性能考量方面并不存在 绝对最优的选项，因此循环方式的设计通常需要在性能之间做出取舍。按技术难度梯度 进行大类排序，可以简单理解为“泵压式>挤压式”、“闭式>开式”。当前液体运载火箭 的主流循环方式选择是分级燃烧循环和燃气发生器循环，而代表最先进技术的循环方式 是全流量分级燃烧循环，这也是分级燃烧的一种，由 SpaceX 的猛禽发动机率先实现量 产并投入使用。猛禽发动机以其推力最大、效率最高、可复用低成本优势闻名。

涡轮泵是发动机唯一的高速旋转组件，3D 打印、动态密封等新型先进技术时常得 到应用。发动机被誉为火箭的“心脏”，而涡轮泵又是发动机的“心脏”。相较于其他组 件，火箭研制公司通常对涡轮泵做更多的信息保密工作。1）金属 3D 打印/增材制造技 术在火箭发动机上的应用前景越发广阔。使用 3D 打印技术能够保障零件质量性能、降 低成本、提高制造效率，尤其在涡轮泵零件上目前已经有了较多实际用例。2）可靠的涡 轮泵离不开动态密封技术的支持。动态密封件充当涡轮机高温供气和泵侧低温液氧之间 的物理隔离，起到防止推进剂泄漏、防止污染物进入以及控制压力的作用。一些改良的 动态密封件还可以进一步补偿涡轮机产生的轴向力。3）近年来我国运载火箭事业在液 体发动机的涡轮泵设计上也实现重大突破。例如蓝箭航天的天鹊-12 发动机应用了刚轴、 浮动环动密封、轴向力平衡系统等关键技术，有力地提高了涡轮泵的性能和可靠性。

针栓式设计是喷注器设计的创新突破，也是液体发动机实现深度变推力的核心技术之一。喷注器是推力室的起点，是用来将燃料和氧化剂以特定比例均匀地注入燃烧室的 基本组件，对发动机的稳定性起到关键作用。传统喷注器设计主要分为直流式和离心式 两种。直流式结构简单，其中的双股自击式喷注器较好地兼顾了性能和稳定性，被广泛 用于大推力发动机；离心式结构较复杂，过去常用于俄罗斯的火箭发动机。相较于传统 喷注器，针栓式喷注器在设计上更加简化，既大幅降低了生产成本、提高了节流能力， 还能提供稳定的高燃烧效率，满足可回收运载火箭可以大范围调节推力的要求。针栓喷 注技术最早被应用在美国登月的下降级发动机上，随后被 SpaceX 公司首次应用到旗下 运载火箭发动机“梅林-1A”上，为其后续火箭回收技术提供坚实基础。

薄膜冷却、辐射冷却。烧蚀冷却技术过去常用于固体火箭；此外，SpaceX 的猎鹰 1 号液体火箭在前两次试飞中也使用了烧蚀冷却，但随后马斯克承认其在设计上的失败， 并将梅林发动机升级为再生冷却设计。再生冷却技术是一项重大突破，它能够使液体火 箭发动机的推力室在更高的温度和压力下工作，从而提供更大的推力。再生冷却在提高 可靠性的同时也有利于发动机的重复使用，因此逐渐成为液体火箭的普遍选择。

2. 液体火箭的实用箭体结构和控制系统

箭体结构和控制系统同样对运载火箭的稳定性和可靠性提供有效支持，前者是火箭 的基体，后者是火箭的“大脑”。液体火箭的箭体主要由推进剂贮箱、仪器舱、推力结 构、尾翼、整流罩等组件组成，在设计上尽可能的要求结构简单、气动外形良好、强度 可靠、质量轻、成本合理。火箭的控制系统构成复杂，通俗来讲有导航、制导、控制三 个功能：导航负责知晓位置，制导负责知晓目的地和轨迹，控制负责改变飞行姿态和跟 踪制导到达轨道。

推进剂贮箱是液体运载火箭质量占比最大的箭体部组件，共底贮箱设计可减轻火箭 质量，从而提升运载能力。贮箱对密封和焊接工艺要求较高，通常由铝合金制成。它不 仅用来存贮推进剂，也是箭体承力结构的一部分。数量上贮箱一般有两个，分别装氧化 剂和燃料，总重量占箭体的 60%以上；而“二合一”的共底贮箱设计可以缩短火箭长度， 助力火箭减重增效，被誉为低温液体火箭“皇冠上的明珠”。目前国内的星际荣耀公司已 经在可复用无绝热层共底贮箱的研制上率先实现了突破，单层共底贮箱可有效减轻 200kg 以上的重量。

整流罩是火箭末级有效载荷的保护装置，要求质量轻、高可靠、耐高温以及易透波。 运载火箭穿过大气层时，整流罩会为有效载荷提供保护；飞出大气层后，整流罩会被抛 掉以减轻火箭质量。整流罩常采用蜂窝结构，包括面板和蜂窝夹芯两部分材料，面板一 般为纤维复合材料，蜂窝夹层一般为铝合金、玻璃钢、碳纤维等。整流罩需具备良好的 宽频透波功能，目前国外火箭整流罩大多选用石英纤维复合材料制成。国内整流罩使用 蜂窝夹层复合材料制造的技术较成熟，但在纤维复合材料的制造工艺方面尚有欠缺，正 在奋力追赶国际第一梯队。

火箭壳体常采用铝合金材料，不锈钢材料因其高可靠性和超低成本越来越受到商业 航天企业的关注。常见的箭体外壳材料包括碳纤维、铝锂合金、不锈钢等。相比碳复合材料和硅隔热瓦，不锈钢更具弹性，不会直接破碎或者脱落；相比铝合金，不锈钢的熔 点更高，从而具备更好的耐热性。强度方面，碳纤维在一般环境下胜出，不锈钢则在低 温环境下更佳；成本造价方面，不锈钢的优势更加凸显，其单位价格仅为铝合金的十分 之一，碳纤维的六十分之一；在其他方面，不锈钢的锻造和焊接工艺更加简单，但也会 使箭体质量增加，降低运载能力。在性能和价格的权衡下，SpaceX、蓝箭等商业航天公 司纷纷在下一代火箭壳体的设计中采用不锈钢材料。

从“以质取胜”到“以量取胜”——运载火箭控制系统中的冗余设计是可靠性要求 最高、结构最复杂的系统。为了提升火箭系统的可靠性，当精细化设计和质量控制发展 到瓶颈时，就需要通过投入冗余资源的方式来换取可靠性。冗余设计要遵循适度原则， 而非多多益善。例如，欧航局阿丽亚娜 5 号的电子系统采用完全备份的双冗余设计， SpaceX 的猎鹰 9 号则采用三冗余容错架构。具体而言，猎鹰 9 号火箭共有 10 个发动机， 每个发动机均超额地装配 3 台飞行计算机，共计 30 台。此外，猎鹰 9 的电气系统还会 配备多个冗余锂离子电池，以减少电气接口的复杂性。冗余设计使火箭在部分设备故障 时仍然能保持正常工作，大幅提高了火箭飞行的容错率。

火箭的跟踪测量是安全控制和姿态控制的前提，运载火箭跟踪测轨的基本方式是光 学跟踪测量和无线电跟踪测量。跟踪测轨系统负责提供火箭的位置运动参数。光学跟踪 测量是最基本的测量方法，它实际是一个具有随动机座的大型望远镜，常见设备是电影 经纬仪，该设备简单有效，但无法全天候工作。无线电跟踪测量，即用雷达测量，它基 于无线电波在空间的传播进行测量，工作原理是：地面的脉冲雷达向运载火箭发送询问 信号，火箭上的应答机接收信号并转发到地面站，然后基于延迟时间和多普勒频移来测 算火箭距离和速度。相比光学测量，雷达测量具备高精度、作用距离远、全天时、高分 辨率和不易受环境干扰等优点。实践中，跟踪测轨系统还会和遥测、惯性导航等系统一 起提供参数信息，再交由计算机作出控制决策和指令。

液体火箭的姿态控制离不开发动机推力矢量控制的支持，机电伺服泵后摇摆技术有 助于实现火箭姿态稳定和高精度控制。作为火箭姿态控制的一部分，推力矢量控制的主流思路是主发动机直接摇摆改变方向，这涉及泵前和泵后摇摆两种方式：泵前摇摆指涡 轮泵和推力室一起摇摆；泵后摇摆指涡轮泵固定，仅推力室摇摆。伺服的字面意思是按 照命令办事，机电伺服就是一种电子矢量控制方法，它通过接收电信号指令来实现精准 的机械跟随动作。大功率机电伺服泵后摇摆是一项新技术，它的设计更复杂，相应也具 备更多优点，包括减小发动机尺寸和重量、降低摇摆力矩、提高涡轮泵性能等等。目前， SpaceX、蓝箭、航天四院等国内外火箭发动机研制主体都相继开发出先进的机电伺服、 泵后摇摆技术。