2023-06-16 14:45:46 來(lái)源：中國(guó)航天?
上面級(jí)是介于基礎(chǔ)級(jí)火箭與有效載荷之間相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)載器，是一種新型空間運(yùn)輸工具，俗稱“太空擺渡車”。有效載荷由基礎(chǔ)級(jí)火箭發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道或地球軌道等過(guò)渡軌道后，通過(guò)上面級(jí)的飛行能夠進(jìn)入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置。通過(guò)增加上面級(jí)，可顯著提高運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，拓展運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)能力。
上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是提高上面級(jí)運(yùn)載能力及多任務(wù)適應(yīng)性的關(guān)鍵和核心，綜觀國(guó)內(nèi)外上面級(jí)，大多采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為上面級(jí)的主動(dòng)力。上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與基礎(chǔ)級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在工作性能、工作環(huán)境、起動(dòng)次數(shù)、在軌時(shí)間等方面均有區(qū)別。一般而言，上面級(jí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有以下幾方面要求：
(相關(guān)資料圖)
（1）真空比沖性能高。提升上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖和發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而提高上面級(jí)運(yùn)載能力。提高真空比沖可以從優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)方案、使用高能液體推進(jìn)劑、提高推力室面積比、增加可延伸噴管等方面采取措施。
（2）可多次起動(dòng)。增加發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)，一方面可采用軌道滑行的方法提高上面級(jí)運(yùn)載能力，另一方面可提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性。
（3）工作時(shí)間延長(zhǎng)。通過(guò)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間來(lái)提高上面級(jí)多任務(wù)適應(yīng)性。
（4）結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化。上面級(jí)在主動(dòng)段結(jié)束后，會(huì)與有效載荷一起在軌道上運(yùn)行，它的減重設(shè)計(jì)能有助于搭載有效載荷質(zhì)量的增加，因此上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的研究工作。
（5）任務(wù)適應(yīng)性高。不同飛行任務(wù)要求推進(jìn)系統(tǒng)具有不同的特性，除要求不同的推力量級(jí)外，還要求不同的任務(wù)周期，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)強(qiáng)調(diào)提高任務(wù)適應(yīng)性，可通過(guò)上面級(jí)模塊化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
一、國(guó)外上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程
國(guó)外上面級(jí)的研制起步較早。自20世紀(jì)五六十年代起，美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯及歐洲國(guó)家就開(kāi)展了多種上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。
（一）美國(guó)
美國(guó)的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要有采用常溫自燃推進(jìn)劑的“阿金納”發(fā)動(dòng)機(jī)、采用液氧液氫推進(jìn)劑的RL-10系列發(fā)動(dòng)機(jī)等。
“阿金納”發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)貝爾航空航天公司于1959年開(kāi)始研制的通用型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，從1959年首次發(fā)射至1987年退役，“阿金納”系列發(fā)動(dòng)機(jī)成功應(yīng)用于“雷神”“德?tīng)査薄坝钪嫔瘛薄按罅ι瘛边\(yùn)載火箭，共成功發(fā)射361次。
“阿金納”發(fā)動(dòng)機(jī)早期型號(hào)LR-81-BA-9發(fā)動(dòng)機(jī)采用高密度硝酸/UDMH推進(jìn)劑，燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，火藥起動(dòng)器起動(dòng)，能夠進(jìn)行3次起動(dòng)工作?！鞍⒔鸺{”D改進(jìn)型上面級(jí)采用LR-81-BA-13發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用起動(dòng)箱起動(dòng)，具備空間15次起動(dòng)能力?！鞍⒔鸺{”D上面級(jí)貝爾-8247型發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理如圖1所示。
改進(jìn)后的“阿金納”D上面級(jí)于1962年投入使用，發(fā)射了KH-7、KH-8偵察衛(wèi)星等，并將美國(guó)國(guó)家航空航天局的月球探測(cè)器送至奔月軌道?！鞍⒔鸺{”上面級(jí)最著名的應(yīng)用是“雙子星座”載人飛行計(jì)劃中6艘飛船與目標(biāo)飛行器對(duì)接，以模擬月球任務(wù)所需的技術(shù)。
圖1 “阿金納”D上面級(jí)貝爾-8247 型發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝結(jié)構(gòu)(a)和系統(tǒng)原理圖(b)
RL-10液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)普惠公司于1958—1963年研制的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，最初用于“土星”1火箭和“半人馬座”系列通用上面級(jí)。RL-10系列是典型的低溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)，采用液氧液氫膨脹閉式循環(huán)，泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，能多次起動(dòng)，雙向搖擺。改進(jìn)型RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管延伸段可伸縮，噴管面積比增加至250。“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭的上面級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)便是RL-10系列發(fā)動(dòng)機(jī)的最新改進(jìn)型RL-10C。
此外，普惠公司于2001年開(kāi)始著手研制新一代RL-60低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)以RL-10系列發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行研制，結(jié)構(gòu)尺寸與RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)基本一致，但推力提高到RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)的2.5倍，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖也有所提高。RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)和RL-60發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)外形及系統(tǒng)原理如圖2所示。
表1 RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)和RL-60發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)
圖2 RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)和RL-60發(fā)動(dòng)機(jī)
（二）蘇聯(lián)/俄羅斯
蘇聯(lián)/俄羅斯較早研制的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)，用于“弗雷蓋特”上面級(jí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)于1962年由化工機(jī)械設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的泵壓式輸送系統(tǒng)，推進(jìn)劑為四氧化二氮/偏二甲肼常溫可貯存推進(jìn)劑，設(shè)計(jì)可重復(fù)使用20次，實(shí)際驗(yàn)證6次，工作時(shí)間900s。通過(guò)節(jié)流調(diào)節(jié)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可在2種模式下工作，真空推力分別為19.85kN和14.00kN，比沖分別為3243.8m/s和3096.8m/s。
大推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級(jí)以較大速度變化進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，小推力模式可以使“弗雷蓋特”上面級(jí)以高精度或者較小速度變化進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可將有效載荷發(fā)射至圓形或橢圓形的近地軌道，而且能實(shí)現(xiàn)軌道高度400~25000km的各種圓軌道、橢圓軌道及甚高橢圓軌道，太陽(yáng)同步軌道和極軌，地球同步轉(zhuǎn)移軌道和地球靜止軌道，甚至逃逸軌道等不同軌道的任務(wù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)目前已退役。
圖3 S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)
1987年，蘇聯(lián)在S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展了S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)用于赫魯尼切夫國(guó)家科研生產(chǎn)航天中心研制的“微風(fēng)”M上面級(jí)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)為泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，使用四氧化二氮/偏二甲肼可貯存自燃推進(jìn)劑，具備13.7~19.6kN區(qū)間變推能力，多次起動(dòng)設(shè)計(jì)能力不少于20次，比沖3165~3224m/s，發(fā)動(dòng)機(jī)混合比1.95~2.05，最長(zhǎng)工作時(shí)間1350s，發(fā)動(dòng)機(jī)干質(zhì)量為75kg，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸為677mm×838mm×1028mm，空間在軌能力不少于3年。
圖4 S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)
20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)開(kāi)始研制液氧煤油推進(jìn)劑上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，最具代表性的發(fā)動(dòng)機(jī)為RD-58系列發(fā)動(dòng)機(jī)，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)由能源火箭發(fā)射設(shè)計(jì)局研制，應(yīng)用于“質(zhì)子”“天頂”“安加拉”等多型火箭的上面級(jí)，具有多次起動(dòng)、高性能和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，成為俄羅斯至今運(yùn)用最廣、發(fā)射次數(shù)最多的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。RD-58也因此發(fā)展了多種型號(hào)，包括RD-58M、RD-58S、RD-58Z、RD-58MF等。
RD-161發(fā)動(dòng)機(jī)是俄羅斯于20世紀(jì)90年代最新研制的液氧煤油推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用富氧補(bǔ)燃循環(huán)、等離子點(diǎn)火、起動(dòng)箱起動(dòng)、預(yù)壓泵后搖擺方式，具備多次起動(dòng)能力、可長(zhǎng)期在軌。RD-161發(fā)動(dòng)機(jī)為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力室壓力高達(dá)12MPa，混合比高達(dá)2.6，這使得其真空比沖在使用合成煤油時(shí)可以達(dá)到360s，加上延伸段后比沖高達(dá)365s，接近液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的極限。
此外，俄羅斯還研制了液氧液氫膨脹循環(huán)RD-0146上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，在俄羅斯上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中，常溫推進(jìn)劑和低溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)處于共存的狀態(tài)。蘇聯(lián)/俄羅斯主要上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖5所示，主要參數(shù)見(jiàn)表2。
圖5 蘇聯(lián)/俄羅斯的低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)
表2 蘇聯(lián)/俄羅斯上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)
（三）歐洲
歐洲國(guó)家的航天活動(dòng)以商業(yè)發(fā)射為主，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)包括采用四氧化二氮/一甲基肼推進(jìn)劑的擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)“埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)、采用泵壓式燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的RS-72發(fā)動(dòng)機(jī)、采用液氧液氫膨脹循環(huán)的Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖6和圖7所示。
圖6 “埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)（左）和RS-72發(fā)動(dòng)機(jī)（右）
圖7 Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)
“埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)為“阿里安”5火箭EPS上面級(jí)及其改進(jìn)型號(hào)EPSV上面級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)由阿斯特留姆公司位于德國(guó)奧托布倫的航天推進(jìn)中心于1988年開(kāi)始研制，發(fā)動(dòng)機(jī)采用擠壓式供應(yīng)方案，燃燒室室壓為1.1MPa，推進(jìn)劑為四氧化二氮/一甲基肼，具備多次起動(dòng)工作能力。其推力室采用同軸噴注器，身部采用再生冷卻方案，燃燒室的燃燒效率超過(guò)98%，其優(yōu)秀的推力室設(shè)計(jì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)3177m/s的真空比沖。
RS-72發(fā)動(dòng)機(jī)由阿斯特留姆公司與美國(guó)波音-洛克達(dá)因公司合作研制，該發(fā)動(dòng)機(jī)以“埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室及洛克達(dá)因公司研制的XLR-132發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵、氣體發(fā)生器、閥門(mén)及控制組件為基礎(chǔ)開(kāi)展研制，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，推進(jìn)劑為四氧化二氮/一甲基肼，具備不少于20次的多次起動(dòng)能力。由于采用泵壓供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室室壓由“埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的1.1MPa提高到6MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖也進(jìn)一步提高到3315m/s，達(dá)到了常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的最高水平。
Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)為“阿里安”5火箭ESC-B上面級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)于1998年由法國(guó)Snecma Moteurs公司研制。Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氧液氫推進(jìn)劑，供應(yīng)方案為膨脹循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力為180kN，真空比沖4660m/s。Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖8所示。歐洲上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。
圖8 Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖
表3 歐洲上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)
二、我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程
我國(guó)的上面級(jí)技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)90年代中期我國(guó)成功研制了固體上面級(jí)，“長(zhǎng)征”二號(hào)C火箭采用帶有分配器的三軸穩(wěn)定上面級(jí)，其使用固體發(fā)動(dòng)機(jī)，每次將2顆“銥”星送入近地軌道。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)研制了自旋穩(wěn)定的固體上面級(jí)“長(zhǎng)征”二號(hào)C-SMA、“長(zhǎng)征”二號(hào)C-SMB，并成功發(fā)射了空間探測(cè)衛(wèi)星。
2008年，為了提高上面級(jí)任務(wù)適應(yīng)性，我國(guó)開(kāi)展了“遠(yuǎn)征”系列液體上面級(jí)YF-50D主發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，發(fā)動(dòng)機(jī)采用泵壓式燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方案，推進(jìn)劑采用四氧化二氮/偏二甲肼可貯存自燃推進(jìn)劑，真空推力為6.5kN，真空比沖為3099m/s，具備2次起動(dòng)工作能力。2015年，YF-50D主發(fā)動(dòng)機(jī)首次應(yīng)用于“長(zhǎng)征”三號(hào)C火箭的“遠(yuǎn)征”一號(hào)上面級(jí)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展了“遠(yuǎn)征”二號(hào)上面級(jí)、“遠(yuǎn)征”一號(hào)S上面級(jí)等，先后與“長(zhǎng)征”三號(hào)B火箭、“長(zhǎng)征”五號(hào)火箭、“長(zhǎng)征”二號(hào)C火箭等組合使用，能夠完成多種任務(wù)載荷直接入軌的發(fā)射任務(wù)。其中，“遠(yuǎn)征”一號(hào)上面級(jí)與“長(zhǎng)征”三號(hào)B火箭組合成功發(fā)射了“北斗”三號(hào)12組中圓軌道衛(wèi)星，圓滿完成了“北斗”三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)任務(wù)。
圖9 YF-50D發(fā)動(dòng)機(jī)
2013年，為適應(yīng)“遠(yuǎn)征”上面級(jí)多次變軌的任務(wù)需求，研制團(tuán)隊(duì)在YF-50D發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)展了多次起動(dòng)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作，該發(fā)動(dòng)機(jī)在YF-50D發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加了起動(dòng)箱式多次起動(dòng)系統(tǒng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)不少于20次的起動(dòng)工作能力。2016年，該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于“遠(yuǎn)征”一號(hào)A上面級(jí)，隨“長(zhǎng)征”七號(hào)火箭完成了首飛，成功進(jìn)行了9次起動(dòng)，圓滿完成了首飛任務(wù)。
為進(jìn)一步提高上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，拓展發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，西安航天動(dòng)力研究所針對(duì)上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，突破了上面級(jí)泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)技術(shù)、性能精度控制技術(shù)、雙模式工作技術(shù)等一系列新技術(shù)，為后續(xù)上面級(jí)功能的進(jìn)一步拓展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
此外，我國(guó)還研制了“遠(yuǎn)征”三號(hào)上面級(jí)，該上面級(jí)采用擠壓式方案，真空推力為5kN，于2018年12月隨“長(zhǎng)征”二號(hào)Ｄ火箭完成首次飛行應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)還開(kāi)展了低溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，目前已完成了2噸級(jí)液氧煤油推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，填補(bǔ)了我國(guó)低溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的空白。
三、上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析
（一）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)通用化、系列化
上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)的通用性，通過(guò)局部改進(jìn)或增減某些功能，能夠用于多種上面級(jí)，執(zhí)行多種發(fā)射任務(wù)。以“阿金納”上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)能夠適用于“雷神”“德?tīng)査薄坝钪嫔瘛薄按罅ι瘛钡榷嗫钸\(yùn)載火箭。在“阿金納”發(fā)展過(guò)程中還改進(jìn)出多個(gè)衍生型號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，并增加新的功能，例如，LR-81-BA-13發(fā)動(dòng)機(jī)就由原型機(jī)的3次起動(dòng)改進(jìn)為15次起動(dòng)，大幅度拓展了發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。
另外，單一系列的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)雖然能夠執(zhí)行多種任務(wù)，但由于推力量級(jí)、推進(jìn)劑種類等方面的限制，無(wú)法適用于所有的上面級(jí)任務(wù)。同時(shí)，隨著液體動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)需要不斷更新?lián)Q代。美國(guó)、俄羅斯、歐洲均發(fā)展了多個(gè)系列的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，以適應(yīng)各種任務(wù)的需求。
除了“阿金納”常溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)外，美國(guó)還發(fā)展了RL-10系列和RL-60系列低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，目前還在進(jìn)一步開(kāi)展下一代液氧甲烷上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作；俄羅斯發(fā)展了S5.92、S5.98系列常溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及RD-58、RD-161、RD-0146等多個(gè)系列的低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；歐空局也研制了“埃斯托斯”、RS-72及Vinci等多個(gè)系列的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。
（二）提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能
對(duì)多級(jí)火箭而言，提高上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能比提高基礎(chǔ)級(jí)的性能更能明顯提高有效載荷質(zhì)量。提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能有以下幾種方法：
（1）使用高能推進(jìn)劑/先進(jìn)的推進(jìn)劑組合；
（2）采用閉式循環(huán)的方式提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓力，減少副系統(tǒng)的比沖損失；
（3）通過(guò)優(yōu)化混合比、增大噴管面積、提高燃燒效率等不斷提高現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
典型代表如“阿金納”發(fā)動(dòng)機(jī)將紅煙硝酸/煤油推進(jìn)劑組合更換為紅煙硝酸/偏二甲肼，性能得到明顯提升；RD-161液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)，燃燒室壓力為12MPa，面積比為370，真空比沖達(dá)到3579m/s；RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)面積比由最初的40提高到250，真空比沖增加到4530m/s。
（三）推進(jìn)劑品種多樣化，發(fā)展低溫?zé)o毒上面級(jí)
目前，美國(guó)、俄羅斯及歐洲均發(fā)展出多種推進(jìn)劑組合的發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，采用常溫推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于傳統(tǒng)型號(hào)的上面級(jí)，典型代表型號(hào)有美國(guó)的“阿金納”系列發(fā)動(dòng)機(jī)、俄羅斯的S5.92和S5.98發(fā)動(dòng)機(jī)、歐洲的“埃斯托斯”發(fā)動(dòng)機(jī)等，其中“阿金納”系列發(fā)動(dòng)機(jī)和S5.92發(fā)動(dòng)機(jī)均已退出現(xiàn)役。常溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有可自燃、使用維護(hù)方便、能夠長(zhǎng)期在軌工作等優(yōu)點(diǎn)，但推進(jìn)劑具有較強(qiáng)的毒性，對(duì)環(huán)境存在污染，且比沖性能低于液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氫等低溫推進(jìn)劑。
近年來(lái)，特別是商業(yè)航天蓬勃發(fā)展以來(lái)，采用低溫?zé)o毒推進(jìn)劑已成為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)、俄羅斯及歐洲均發(fā)展了多型的低溫?zé)o毒推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，具有代表性的包括美國(guó)RL-10和RL-60系列液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，俄羅斯的RD-58和RD-161液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、RD-0146液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，歐洲Vinci液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)等。此外，這些國(guó)家和地區(qū)還開(kāi)展了液氧甲烷上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的攻關(guān)工作。相比常溫推進(jìn)劑，低溫發(fā)動(dòng)機(jī)具有比沖性能更高、綠色無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，但也存在使用維護(hù)復(fù)雜、長(zhǎng)期在軌期間蒸發(fā)損失量大等問(wèn)題。
從兩種推進(jìn)劑的特點(diǎn)來(lái)看，低溫綠色推進(jìn)劑是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，但常溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)也有其繼續(xù)發(fā)展的空間。由于常溫推進(jìn)劑能夠進(jìn)行預(yù)包裝，并可以通過(guò)凝膠化進(jìn)行長(zhǎng)期貯存和機(jī)動(dòng)運(yùn)輸，在衛(wèi)星快速發(fā)射、戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星補(bǔ)網(wǎng)等緊急任務(wù)下，常溫推進(jìn)劑上面級(jí)仍具有不可替代的地位。
（四）積極研究新型上面級(jí)推進(jìn)技術(shù)
目前，各國(guó)現(xiàn)役的上面級(jí)均采用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其性能已接近極限，發(fā)展空間不大。近年來(lái)，各航天國(guó)家均加大了非化學(xué)推進(jìn)的研究力度，以便大幅提高上面級(jí)的性能。非化學(xué)推進(jìn)主要分為兩類：一類是直接加熱類，包括太陽(yáng)能推進(jìn)、核熱推進(jìn)；另一類是電推進(jìn)，包括電熱式、電磁式、靜電式等，其中一些已應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。鑒于非化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)具有很高的比沖性能、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)非化學(xué)推進(jìn)的上面級(jí)，并在運(yùn)載火箭中占有一席之地。
在美國(guó)SLS火箭上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)論證過(guò)程中，在傳統(tǒng)的RL-10系列化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還花大力氣開(kāi)展了核熱推進(jìn)系統(tǒng)和太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)兩種新型上面級(jí)推進(jìn)方案的論證工作。根據(jù)論證結(jié)果，在這3種動(dòng)力方案中，地月距離空間運(yùn)輸采用太陽(yáng)能電推進(jìn)方案更具優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于更遠(yuǎn)的行星際運(yùn)輸，核熱推進(jìn)系統(tǒng)則是更有效的動(dòng)力方案。雖然鑒于技術(shù)成熟度、成本等原因，NASA最終選擇了RL-10C發(fā)動(dòng)機(jī)，但這個(gè)論證過(guò)程表明了新型推進(jìn)系統(tǒng)在未來(lái)空間運(yùn)輸領(lǐng)域具有光明的前景。
四、國(guó)內(nèi)外主要差距
目前，我國(guó)在上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平還存在以下幾方面的差距。
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的推力小。目前我國(guó)現(xiàn)役的“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)均在5~6.5kN的水平，推力較小，與國(guó)外最大幾百千牛的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)差距較大。
（2）發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能較低。目前國(guó)外先進(jìn)的低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖最高可達(dá)4600m/s以上，在常溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)方面，歐洲RS-72發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖達(dá)到3315m/s，而“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)最高真空比沖僅為3099m/s，與國(guó)外先進(jìn)水平具有明顯差距。
（3）低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)有待發(fā)展。目前我國(guó)現(xiàn)役的“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均采用常溫推進(jìn)劑，雖然研制了液氧煤油上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，但距離工程應(yīng)用還存在一定的差距；同時(shí)，在液氧液氫及液氧甲烷上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)方面，我國(guó)尚屬空白。
（4）發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)適應(yīng)性有待拓展。在通用上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過(guò)程中，國(guó)外很多發(fā)動(dòng)機(jī)形成了具備不同拓展功能模塊的衍生型號(hào)，如多次起動(dòng)、長(zhǎng)期在軌等功能，這就使得一個(gè)系列的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠適應(yīng)不同模式的上面級(jí)發(fā)射任務(wù)；而目前我國(guó)“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)單一，缺乏拓展功能，難以勝任多次變軌、多軌道撒布、長(zhǎng)期在軌待命等新型任務(wù)。
五、我國(guó)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展思路
（一）提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和比沖性能
提高上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可以提升上面級(jí)的運(yùn)載能力和多任務(wù)適應(yīng)性。目前，我國(guó)在役的“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)均較小，難以適應(yīng)大質(zhì)量載荷的發(fā)射需求，需要開(kāi)展20~200kN量級(jí)的大推力上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作，為未來(lái)大型火箭乃至重型火箭的上面級(jí)提供可靠動(dòng)力。
在提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能方面，可以采取2種途徑：一方面，通過(guò)更換高能推進(jìn)劑、優(yōu)化混合比、提高燃燒效率等，提高現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能；另一方面，可開(kāi)展新型高性能上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，通過(guò)采用閉式循環(huán)、低溫推進(jìn)劑等方法實(shí)現(xiàn)高比沖性能。
（二）大力發(fā)展低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)
目前，隨著各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視及商業(yè)航天的發(fā)展，低溫?zé)o毒推進(jìn)劑已成為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的潮流，各航天國(guó)家均發(fā)展出多型低溫推進(jìn)劑上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并逐漸淘汰了常溫發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，我國(guó)現(xiàn)役的“遠(yuǎn)征”系列上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)均采用常溫推進(jìn)劑，液氧煤油推進(jìn)劑上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)還處于研發(fā)階段。后續(xù)，我國(guó)需要在低溫上面級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域加大研發(fā)力度，不僅要發(fā)展液氧煤油上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，還要發(fā)展液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)乃至液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在商業(yè)發(fā)射領(lǐng)域占據(jù)有利地位。
（三）開(kāi)展常溫上面級(jí)快速發(fā)射技術(shù)研究
常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)與低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在長(zhǎng)期在軌能力和使用維護(hù)性上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。一方面，能夠用于需要長(zhǎng)期在軌工作的上面級(jí)任務(wù)，如執(zhí)行軌道備份、深空探測(cè)、星際運(yùn)輸?shù)龋涣硪环矫?，常溫推進(jìn)劑上面級(jí)可在推進(jìn)劑凝膠化后進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)包裝貯存，能夠用于某些關(guān)鍵領(lǐng)域衛(wèi)星的緊急發(fā)射任務(wù)。后續(xù)應(yīng)開(kāi)展常溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在軌技術(shù)、快速使用維護(hù)技術(shù)及預(yù)包裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為未來(lái)先進(jìn)常溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
（四）上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)系列化發(fā)展
未來(lái)上面級(jí)任務(wù)模式的多樣性決定了通用上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)適應(yīng)不同任務(wù)的要求，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)能夠靈活地配置不同的功能模塊，形成系列化的功能體系。
在前期研制過(guò)程中，我國(guó)已經(jīng)突破了上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)、長(zhǎng)期在軌、多模式工作、姿軌控一體化等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)應(yīng)將這些關(guān)鍵技術(shù)集成為不同的功能模塊，并與通用型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行靈活的組合，形成具備不同功能的系列化產(chǎn)品，從而大幅度提高上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)適應(yīng)性。
（五）發(fā)展采用電動(dòng)泵增壓系統(tǒng)方案的新型智能化控制上面級(jí)動(dòng)力技術(shù)
目前，國(guó)內(nèi)外的泵壓式上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本上采用傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)、膨脹循環(huán)或者補(bǔ)燃循環(huán)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性、性能精度和可靠性有待進(jìn)一步提升。近幾年，隨著電池、電機(jī)及集成電控技術(shù)的迅速發(fā)展，新型電動(dòng)泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)迎來(lái)了重大的發(fā)展機(jī)遇。
電動(dòng)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)突破了傳統(tǒng)的渦輪泵燃?xì)庠鰤旱谋脡菏揭后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)模式，利用高能蓄電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行增壓，為變推力和智能化發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種全新思路和有效途徑。我國(guó)可以利用近些年國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車領(lǐng)域電池、電機(jī)和智能化控制方面的技術(shù)積累，通過(guò)跨領(lǐng)域合作實(shí)現(xiàn)我國(guó)電動(dòng)泵壓式、全電控智能化自主調(diào)節(jié)的新型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)突破。
關(guān)鍵詞：
