航天动力进展的新力量——液氧甲烷火箭发起机

作者 王维彬 孙纪国

泉源 手机知网

院所 北京航天动力研究所

择要：液氧甲烷火箭发动机具有本钱低、性能好、重复利用、维护便利等长处，是极具进展潜力的将来航

天动力。北京航天动力研究地点“十一五”时期开展了 60t 级液氧甲烷火箭发动机原型样机研究。举行了甲烷

液氧气液缩尺喷注器燃烧试验和甲烷液氧液液喷注器低混淆比燃烧试验，相识了甲烷液氧的燃烧特性、点火特

性等。开展了涡轮泵和阀门等组件顺应性研究。研究评释，液氧甲烷发动机燃烧稳健性好，易于维护，是将来

航天的抱负动力选择之一。

要害词：液氧甲烷；火箭发动机；重复利用；RLV

1 液氧甲烷火箭发动机的进展远景

液氧烃类发动机因为具有较高的均匀密度和相对较高的性能，对应用于火箭的助推级很有吸引力。

相对付别的烃类燃料，液氧甲烷发动机具有比冲较高、低本钱、无毒无污染、低积碳、冷却不结焦、适于重复利用等特点。尤其是 1980 年以来，包罗中国、美国、俄罗斯、欧洲、日本、韩国在内的多个国度，都在开展液氧甲烷发动机的研究事情。

氢、氧、甲烷、火油及偏二甲肼的物理性能见表 1。与氢、氧雷同，甲烷属于低温推进剂，其维护利用条件与液氧根本雷同。

（原论文中前边没了一截）台。

夯实工艺底子，积极推进工艺范例化事情。专心落实好团体公司工艺事情步伐，确切将工艺事情纳入型号产物研制生产流程，确保工艺事情与设计事情“同步筹谋、同步预研、同步论证、同步攻关”，进步型号工艺事情的质量和实效。强化工艺历程的总结

与提炼，积极推进工艺范例化事情。以“固化成熟工艺，进步生产服从”为引导原则，不停推进工艺范例化事情，优化工序流程，梳剃头动机生产历程中成熟的通用工艺，进步产物工艺设计的承继性、稳健性及工艺文件体例的质量和服从。高兴发挥工艺信息化技能对院科研生产的支持作用，增强工艺与设计、信息技能的集成与融合，创建数字化工艺设计治理平台，增强工艺数据库设置装备摆设，陆续推广 CAPP 技能应用，渐渐创建先辈的航天数字化制造体系。加速先辈制造装

备技能研究，重点办理将来大型发动机研制生产需求及固体发动机生产历程的“手工”操纵关键，进步产物质量稳健性，进步生产历程素质宁静。

促进工艺技能题目的办理，把握一批焦点工艺技能。陆续根据团体公司《工艺事情划定》的要求，包管工艺事情足额经费，用于工艺底子和共性工艺题目研究。同时要求各单元要进一步加大工艺研究经费自主投入力度，变更工艺技能部分办理共性题目和庞大工艺题目的积极性，创建工艺创新的长效机制，把握一批焦点工艺技能。

鹏城万里何惧险，千帆争舸向天歌。振兴工艺事情是一项永无止境的庆幸奇迹，是企业进展给予工艺事情者的神圣任务。我院将在团体公司的向导下，捉住难过汗青机会，将技能创新作为推动企业进展的不断活力源泉，不停进步工艺技能程度，高兴攀缘固体发动机制造本领的超过式进展新岑岭，为我国国防当代化设置装备摆设做出新的奉献！

甲烷的比热高（见图 1），其定压比热低于氢，但高于火油等推进剂，是精良的冷却剂。液态甲烷的密度是火油的一半，约为液氢的 6 倍，是以甲烷贮箱比氢贮箱轻许多。烃类燃料大多与液氧配对作为发动机推进剂组合。在全部碳氢化合物中，液氧甲烷比冲最高。由图 2 可见，液氧甲烷推进剂组合的密度约为液氧液氢的 2.3 倍，是液氧/火油的 0.8 倍。液氧甲烷

发动机的理论比冲比液氧液氢发动机低约 800m/s，比液氧/火油发动机高约 100m/s。液氧甲烷发动机的密度比冲是液氧/火油的 0.84 倍，是氢氧发动机的 1.8倍。甲烷的燃烧服从和点火性能优于别的烃类燃料。

综合思量火箭性能和布局重量，液氧甲烷发动机与液氧/火油发动机性能相称。

美国在 1980 年举行了电传热试验，研究烃类燃料结焦特性，效果评释：甲烷在壁温为 500℃时可正常事情。当甲烷中的硫含量低于 1ppm 时没有任何结焦。烃类燃猜中火油的结焦极限温度最低，甲烷最高。火油的结焦极限温度为 560K，甲烷为 950K。由

于甲烷无结焦，且具有很高的比热，是以是一种很好的再生冷却剂。

烃类燃料燃气广泛有积碳。美国举行过烃类燃料的碳沉积研究，混淆比为 0.2～0.6，燃烧室压力为50～120MPa。效果评释：甲烷在试验的混淆比范畴内，不存在碳沉积。甲烷分子只含一个碳原子，热解后难以形发展链碳氢化合物，因而在高温下也不易积

碳。试验效果评释，在 400～900℃宽阔的燃烧温度范畴内，液氧甲烷富燃燃烧产品均未显现显着的积碳。

美国 Aerojet 公司于 1986 年对烃类燃料与燃烧室壁的相容性题目举行了试验研究，效果评释：当甲烷中的硫含量低于 1ppm 时对铜合金内壁险些没有任何腐化。

液态甲烷利用宁静性与液氢根本雷同。甲烷没有毒性。甲烷的爆炸容积百分数为 5%～15%，主动点火温度为 540℃。甲烷固然易燃，但甲烷分子量较小，比氛围轻，任何泄出或渗漏，都可以像氢一样，马上上升并散失在大气中。根据宁静规章利用甲烷很宁静。

甲烷资源富厚。液态甲烷泉源于液化自然气（LNG）和固态自然气水合物（可燃冰）。活着界范畴遍及存在着险些是纯甲烷的自然气水合物资源，估算资源量为 2×1013t 油当量，比现在地球上通例化石燃料储量的 2 倍还多。科学探测评释，火星、土星的卫星等太空星球上甲烷资源也相称富厚。

甲烷代价较廉价，是液氢的 1/70；是火油的 1/3。

综上所述，液氧甲烷发动机具有氢氧发动机和液氧/火油发动机的综合长处，是将来航天动力的进展偏向之一。

2 60t 级液氧甲烷火箭发动机的研究希望

2.1 研究思绪和技能途径

在国度高技能 863 打算的支持下，开展了 60t 级液氧甲烷发动机研究。该发动机为燃气产生器轮回，采纳单台富燃燃气产生器、双涡轮并联甲烷/氧涡轮泵、推力室采纳甲烷再生冷却。发动机真空比冲为340s。

液态甲烷和液氢同属低温燃料，有许多相似的特性。是以，以现有氢氧发动机为技能底子和研究平台，最大限度地使用现有氢氧发动机的试验、制造本领和技能底子以及氢氧发动机研制历程中形成的有关零组件，重点研究液氧甲烷发动机燃烧装置方面的要害技能，通过须要的顺应性改型设计，开展 60t 级液氧甲烷发动机道理样机的研制。

2.2 液态甲烷推进剂质量指标研究

对中国油田生产的液态甲烷推进剂举行了多次取样阐发，其质量身分测定效果评释，甲烷含量均大于 98%，别的还包罗乙烷、丙烷等烃类化合物，以及少量的 N2、CO2 等。

液氧甲烷发动机燃气产生器应用该液态甲烷已乐成举行了多次挤压试验。试验评释，该身分的液态甲烷与液氧燃烧稳健，燃烧服从与外洋液氧甲烷发动机的燃烧服从相称，根本能餍足试验要求，开端选定该身分的液态甲烷作为发动机的推进剂利用。开端确

定液态甲烷推进剂重要质量指标为：甲烷含量≥98%；H2S≤1ppm。

2.3 发动机质料与甲烷相容性试验

低温发动机重要利用的质料有：高温合金、钛合金、不锈钢、铜合金、铝合金、铸件以及非金属密封质料、陶瓷、胶、脂等。

通过质料在液体甲烷中永劫间浸泡试验，开端研究了质料和零组件与液态甲烷的相容性。对 17 种质料或产物及组件举行永劫间 14h 的浸泡试验，浸泡后规复常温，肉眼观看零件外貌未见腐化，颜色未见改变。开端验证了甲烷与相干质料在静态情形下无反

应；这与外洋文献报道的甲烷与大部门质料相容性精良的结论相符合。已举行的热试验也评释，甲烷与相干质料相容性精良。

2.4 液氧甲烷推力室喷注器缩尺试验研究

喷注器的喷雾及其燃烧是液体火箭发动机最根本的历程，也一向是重要研究课题之一。在设计全尺寸燃烧装置之前，举行喷嘴的预先试验研究黑白常须要的。

采纳挤压式试验研究了 5 种甲烷液氧气液同轴直流式喷注器的燃烧性能，观察告终构参数和事情参数对喷嘴燃烧性能的影响，并从宏观察量参数比力这几种同轴直流式喷嘴的性能。缩比推力室用液氧和常温气态甲烷模仿液氧甲烷推力室头部喷注器真实事情

条件。甲烷在超临界状态以上事情。共举行了 7 次累计 90 多秒的甲烷液氧气液喷注器热试车，试验的燃烧室压力为 7.1～7.4MPa，推力室混淆比为 3.5～3.9，推力室流量约 8.4kg/s。试验后查抄甲烷液氧气液燃烧积碳量甚微。

由图 3 和图 4 可见，试验的甲烷液氧燃烧服从介于 0.91～0.975，与外洋试验效果相称[6～8]，与氢氧气液燃烧服从也较为靠近。

2.5 甲烷液氧燃气产生器低混淆比液液燃烧研究

举行了 10 次、累计 195s 的液氧甲烷燃气产生器挤压热试车。试验的研究范畴为：燃烧室压力 6.0～7.2MPa，混淆比 0.26～0.40。液氧甲烷推进剂在试验混淆比（0.27～0.39）范畴内能可靠点火。

甲烷液氧燃气产生器热试见图 5，热试的燃气产生器燃烧服从为 0.91～0.94，且随着混淆比升高燃烧服从有所进步。日本液氧甲烷预燃室燃烧服从为0.935。试验中丈量了燃气产生器出口统一截面上的燃气温度。燃气温度匀称性 ∆T= ±14K，燃气温度匀称。燃烧室压力脉动相对值为低于 3%。

试验后查抄燃气产生器内积炭较少。在试验混淆比范畴内，混淆比越高，积炭征象越显着。热力盘算燃烧产品中固相炭含量随着混淆比升高而增添至混淆比为 0.45 左右，到达最大，之后随着混淆比升高渐渐低落。

2.6 涡轮泵顺应性研究

液氧甲烷发动机的甲烷涡轮泵和氧涡轮泵分别借用现有的氢、氧涡轮泵。氢涡轮泵通过低落转速即可餍足现有甲烷泵的扬程要求。氧泵转速稍爬升即可餍足液氧甲烷发动机氧泵的扬程要求。通过泵水力试验进一步研究了液氧甲烷发动机工况条件下燃料泵

和氧化剂泵的水力性能和汽蚀性能。效果评释，两泵的性能指标根本餍足液氧甲烷发动机的技能参数要求。液氧甲烷发动机相对付现有氢氧发动机涡轮的总体设计参数也有较大的改变。阐发评释，甲烷涡轮在不窜改布局的条件下性能根本可以或许餍足利用要求。

后续举行了 3 次涡轮泵联动试验，将进一步验证借用的氢/氧涡轮泵可以或许顺应液氧甲烷发动机的利用要求。

2.7 阀门事情顺应性研究

液氧甲烷发动机阀门全部借用现有氢氧发动机相应阀门。氧路体系阀门流量相称，甲烷路阀门的体积流量均小于液氢路体积流量，是以流畅本领餍足要求。固然液氧甲烷发动机甲烷路的事情压力比氢路阀门事情压力略高，但是阀门的体积流量、密封比压、生路打开宁静裕度、波浪管和阀门壳体承压本领均切合要求。

3 完结语

液氧甲烷火箭发动机性能好、资源富厚、本钱低、无毒、无污染、利用维护便利，是将来航天动力的进展偏向之一。近期乐成举行了多次 60t 级液氧甲烷发动机热试验，把握了液氧甲烷发动机重要要害技能。

以现有液氧液氢发动机为技能底子，通过须要的顺应性改革，研制液氧甲烷发动机是可行的。