经典发动机盘点（这项仅美国会的发动机技术）

这些年，越来越多的民营企业开始发射火箭上天，有阿里巴巴，也有斗鱼。要让火箭这样的庞然大物脱离地球的引力飞向太空，则一定需要强劲的发动机，通过发出燃烧推进剂产生的高速气流，让火箭迅速得到巨大的反推力。

现代火箭发动机主要分固体推进剂和液体推进剂发动机，液体火箭发动机种类繁多，常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。

如将阿波罗号送上月球轨道的土星五号所采用的液氢-液氧发动机J-2发动机，J-2发动机的真空比冲为(Isp)421秒（4.13千米每秒），海平面比冲为200秒（2.0千米每秒）。

5台J-2液氢液氧发动机并联

比冲单位质量的推进剂产生的冲量大小。这也是火箭推进剂最最重要的指标之一。也就是说，希望用质量尽量小的燃料，产生出尽量大的推力。液氢-液氧发动机的比冲有压倒性的优势，这也是为什么能把登月任务采用液氢液氧发动机的原因。

当然了，除了比冲之外，还要考虑容易点燃、存储便利、体积大小、安全性、工艺难度等多种因素，而液氢-液氧发动机就因为存储不方便、体积太大，在完成登月任务之后就没有再采用了，它适合大型的航天飞机、超重型运载火箭等飞行器上。

庞然大物土星五号

除了液氢液氧发动机，最为常用的就是四氧化二氮-偏二甲肼发动机和液氧-煤油发动机。但是因为其易分解为二氧化氮为红棕色的气体，神经麻醉的毒性，且有腐蚀性。而偏二甲肼污水处理 技术存在着能耗高、安全系数低、二次污染物种类多、毒性大和运行成本高等缺点。四氧化二氮-偏二甲肼发动机开始慢慢退出历史舞台。液氧-煤油发动机则容易结焦和产生积碳。

而目前液氧-甲烷发动机成为了液体火箭发动机的一个方向，液氧甲烷发动机综合素质都非常不错，液氧-甲烷的比冲仅次于液氧-液氢，密度比冲也可以排上第二，沸点零下162摄氏度和液氧（零下183摄氏度）接近，储存难度也相对较低。

最重要的其还具有无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重复使用等特点。这也是许多火箭企业一直想要掌握的发动机技术。

美国著名太空探索技术公司SpaceX就掌握了这种发动机技术，SpaceX可是私人太空技术龙头企业，它的老板我们也很熟悉，特斯拉的总裁马斯克。

2016年SpaceX正式发布的猛禽发动机参数，其海平面推力311吨（3050kN），真空推力357吨（3500kN），采用预先冷却的液氧-甲烷推进剂组合，燃烧室室压高达30MPa。猛禽是世界上推力第四大的现役液体火箭发动机。这款发动机将用于未来的载人火星登陆任务。

除此之外，美国蓝源公司的BE-4发动机也是采用液氧-甲烷发动机，它的动力系统包含涡轮泵，阀门和其他组件，能够产生高达55万磅（约合250吨）的推力，不过这款发动机至今还没有进行全系统试车。

前段时间，中国民营企业蓝箭公司的80吨液氧甲烷发动机“天鹊”(TQ-12)20秒试车成功，是世界第三台完成全系统试车考核的大推力液氧甲烷火箭发动机，标志着中国民营航天企业大推力液体火箭发动机产品“零的突破”，成功验证了中国商业航天大推力发动机从设计、研发、制造、生产、装配、试验的完整流程。

“天鹊”(TQ-12)发动机装配

中国也成为继美国之后，第二个掌握液氧-甲烷发动机的国家。蓝箭是一家民营商业火箭公司，总裁张昌武是一位80后，张昌武毕业于清华大学，在2015年成立了蓝箭公司。

早在2018年3月份，自主研发并具有完全自主知识产权的“凤凰”10吨级液氧甲烷发动机推力室试车成功。而2019年，蓝箭就完成了80吨液氧甲烷发动机的全系统试车，并走向量产，成为国内首家掌握液氧甲烷发动机技术的民营企业，这中间仅仅用了4年，速度不可谓不快。

“天鹊”(TQ-12)地面型发动机海平面推力67吨，真空推力76吨；真空型发动机真空推力80吨。相比较而言，略逊于美国的液氧-甲烷发动机。但这是中国民营企业在火箭发动机上难得的突破，值得鼓励。

这款发动机可以向下可以覆盖单一发动机的小型火箭，向上可以覆盖中型火箭、大型火箭，其商业价值大、研制难度适中，投入产出比高。

“天鹊”号发动机在技术上还是有许多创新点的，比如突破激光焊接夹层喷管技术难题，首台80吨发动机喷管顺利下线，为国内首创，此项新技术实现了大型喷管机器人全自动激光焊接，可大幅度降低喷管制造成本，缩短制造周期，提高产品质量，便于实现产品批量化制造。

还有燃气发生器的设计，燃气发生器是液体航天发动机的重要部组件之一，它通过产生高温高压的燃气驱动涡轮泵工作。燃气发生器要做到稳定可靠、温度均匀，为下游的涡轮叶片提供“舒适”的环境。如果燃烧不稳定、燃气温度不均匀，涡轮叶片将工作在流速忽快忽慢、温度忽高忽低的环境里，寿命大打折扣，是无法实现多次重复使用目标的。

据蓝箭工作人员介绍：蓝箭团队在设计燃气发生器的过程中进行了多种技术创新，如采用大流量喷嘴技术，有效减少喷嘴总数；选取低工况下能达到高雾化质量的喷嘴方案；采用在全工况下均能保证稳定、高效燃烧的喷嘴结构；提高燃烧区混合比，缩短燃烧反应时间，有效地避免形成高温拖尾火焰，防止对下游涡轮叶片造成局部过热等。

燃气发生器

除此之外，近日蓝箭自主研发的另外一款10吨发动机——“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机TQ-11推力室也完成了单次时间长达650秒的长程试车，

“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机

蓝箭航天的“朱雀二号”系列液体火箭采用通用化、模块化设计，通过一种推进剂、一个箭体直径、两型发动机(TQ-11/TQ-12)的灵活组合，可以构成运力数吨到几十吨、覆盖低中高轨道发射能力的液体火箭系列产品。

“朱雀二号”预计将在2019年完成全部地面试验，2020年首飞，2021年把有效载荷送到月球上去。

蓝箭的目标是研发百吨级火箭发动机，从10吨到80吨再到百吨，这可不是一个简单的数字变化，张昌武说，“推力规模相差十倍，就意味着整个工况都会发生巨大变化。百吨级液体发动机结构更为复杂，我们需要对各组件、总装布局重新调整，再把这些工艺路线和关键技术放大到百吨级组件去试验，试验没问题还要进行全系统联调联试，只有联试成功，这个发动机才有可能被定型。”

创新幅度大、工艺挑战大、周期难以把控，直面这些风险不仅需要技术实力，更需要魄力与勇气。

也期待蓝箭可以努力追平与美国的差距，成为中国的SpaceX。

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