可复用发动机难造?一次性改造行不——行,但“改造”约等于重新研制

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10-17 17:41

可复用火箭发动机难造吗?难。但如果把难处理解成“不够结实”,进而问一句“那把一次性发动机改一改行不行”,答案是反直觉的:“改造”行得通,而且这正是当下不少队伍实际在走的路;只是真正意义上的“改造”,是围绕复用重做油门、点火、寿命和检修体系,其难度接近一台新发动机。2026年7月10日12时15分,长征十号乙运载火箭在海南商业航天发射场发射升空,一二级分离约6分钟后,一子级垂直返回并在海上回收平台成功回收。仅隔一个多月,朱雀三号遥二完成陆地回收,我国首次成功实施重复使用运载火箭一子级着陆腿方式陆地可控回收。界面新闻新华网

为什么不能“做结实点”解决

液体火箭发动机要靠涡轮泵把推进剂硬压进高压燃烧室,驱动涡轮的高温高压燃气又来自发动机自身烧出的一小部分推进剂,所以涡轮永远贴着材料极限工作。一次性发动机的设计尺度是“这一趟别出事”,一旦加上“复用”,叶片就要陪火箭经历几十次启停——这种反复的热循环会在材料内部产生循环塑性应变,很快就会因热疲劳而断裂。而给叶片降温最直接的办法,又会撞上另一头硬约束:泵功率由任务决定、不可商量,气流流量不变时涡轮只能更热。知乎

动力循环的取舍,决定了复用的天花板:要么接受浪费一部分推进剂,换系统简单可靠、迭代快,SpaceX猎鹰九号的梅林发动机走的就是这条路,这也是当下国内商业航天最主流的路径。要么把燃气收回来二次燃烧,换更高比冲,代价是材料必须扛住高温富氧或富燃环境的腐蚀;要么干脆让全部推进剂分两路各自驱动涡轮,把涡轮温度压到最低——这就是全流量分级燃烧循环,复杂度也最高,目前真正撑住过轨道级任务的只有SpaceX的猛禽:就在9月底,它刚刚送星舰完成首次入轨。知乎第一财经

回收这一侧对发动机的要求同样具体:网系回收对火箭端的要求,是箭体具备深度节流及多次启动能力,以及响应敏捷的高可靠发动机。油门要能压得很低让箭体末端“轻放”,点火要能在不同高度反复点亮,这两件事都跟“推上去就关机”的一次性用法背道而驰。国内这台130吨级可重复使用液氧煤油发动机为此在地面上攒了不少“点火里程”:到2024年4月,单台累计完成15次重复试验、30次点火起动。今年2月11日长征十号系列技术验证箭的低空飞行则是实打实的彩排:最后是着陆段,3台发动机相继点火,火箭向理论着陆点机动。界面新闻观察者网新华社

“改造”这条路真的在走

国家队的方式,是专门发展一台130吨级可重复使用液氧煤油补燃循环发动机。2022年11月26日,我国自主研制的130吨级重复使用液氧煤油补燃循环发动机首台两次起动试车取得圆满成功。这型发动机拟用于新一代载人火箭长征十号。复用经验也不是纸面推演:执行低空验证飞行的技术箭被研制方称为“三手火箭”,在此前两次系留点火后,团队完成了火箭发动机工作后的简化维护处理、一次火箭全面体检、少量一次性耗品更换。中国日报网知乎新华社

商业侧的朱雀三号走的是液氧甲烷路线,一子级配备九台天鹊-12A发动机,并安装了回收所需的RCS、栅格舵和着陆支腿。界面新闻

按照设计指标,其规划可重复使用不少于20次;回收状态下近地轨道运力18.3吨,一次性发射时为21.3吨——“可回来”本身要拿运力换。选甲烷也有算盘:液氧甲烷发动机燃烧不易积碳,回收之后检修流程更简便,能缩短复用周期。界面新闻界面新闻

最难检修的还是发动机

老牌玩家的数据最能说明问题。蓝色起源今年4月把去年11月回收的一级翻新后再飞,但本次使用的火箭第一级更换了全部7台发动机,旧发动机留待后续任务再用。换句话说:箭体回来了可以先用,发动机未必舍得直接再用。被寄予厚望的猛禽同样会闹脾气,9月28日星舰第14次试飞上升段,SpaceX星舰飞船猛禽发动机中的1台突然提早熄火并关机。新华社第一财经

跑通了的老牌也有自己的时间表。猎鹰9号已累计着陆超过600次,单枚助推器最多飞过36次。但它的平均复用周期,也是在高度成熟期才压到约2个月,最短纪录14天。界面新闻界面新闻

经济账的底线:修得快过造得快

复用的价值有明确的量化区间:即便考虑维修和维护成本,火箭复用不到5次即可在成本上体现出明显优势,达到10次以上时,单次发射成本有望降低约80%。但前提是修得比造得快——蓝箭航天朱雀三号副总设计师董锴给出的参照是,按当前不锈钢生产工艺和发动机产能,平均几十天能造出一发朱雀三号;若检修要拖四五个月,复用就失去意义。界面新闻界面新闻

更底层的缺口是标准:朱雀三号总指挥戴政表示,目前国内运载火箭行业还没有火箭的复用标准、检测流程、零部件更换规范等相关技术体系。界面新闻

学费已经交了,闭环还差“复飞”

回看这一年多,回收环节烧掉的正是发动机环节的学费:朱雀三号遥一在距地面3.3公里执行着陆点火时,点火动作完成、火也点起来了,但点起来之后出现异常燃烧,一子级坠落在着陆场坪边缘。国家队同样交过学费:去年12月23日,长征十二号甲遥一二子级进入预定轨道,一子级未能成功回收,任务被定性为“基本成功”。同期瞄准可回收的大运力选手天龙三号,也在今年4月3日首飞失利。界面新闻界面新闻界面新闻

截至朱雀三号遥二回收成功时,全球真正跑通火箭“回收+复飞”商业闭环的企业还只有SpaceX。界面新闻

接下来值得盯的节点很具体。蓝箭计划在半年内实施回收箭体的复飞任务,构建“发射-回收-检测-复用”闭环体系——复飞用的就是飞回来那台发动机和箭体,改造行不行,到时才有裁判。12月7日开幕的珠海航展上,CZ-10B火箭海上网系回收装置等展品将首次亮相。而一次性路线也在照常跑:10月14日,朱雀二号改进型遥四刚以“一箭十星”完成一次标准商业发射——复用与一次性至少还会长期并行。界面新闻第一财经第一财经

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