2019年国外航天推进技术发展回顾

上海空间推进研究所

苗思薇 黄振芝

一 引 言

2019年，是世界航天活动蓬勃开展的一年，全年共进行了103次航天发射任务，也因此实现连续两年发射次数“破百”。在航天应用需求的大力牵引下，美国、欧洲、日本等国家和地区在航天推进技术领域硕果颇丰，并逐步形成多维度、全方位的创新发展格局。在液体推进技术方面，主要由商业载人航天计划牵引，“猎鹰”9号火箭一级发动机、BE-7火箭发动机、CST-100飞船的推进系统等完成了一系列点火试验。在电推进技术方面，呈现爆炸式增长趋势，霍尔推力器、肼电弧推力器等相继应用于各类卫星，大功率电推进系统开展全功率试验。在固体推进技术方面，“猎户座”飞船的发射中止系统完成逃逸试验，分离发动机完成研制。在吸气式推进技术方面，美国诺思罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）公司研制的吸气式高超声速发动机推力超过57.8kN，创下美国空军在该领域的新纪录。在固液混合推进技术方面， 英国维珍 银河（Virgin Galactic）公司的“团结号”太空船成功地被发射到太空边缘，该太空船采用可提供320kN推力的固液混合发动机，持续工作近60s；而为提高燃烧效率，增材制造技术正逐渐应用于先进的固液混合火箭。在其他先进推进技术方面，美国国家航空航天局（NASA） 在 2019年完成了用于核热推进的低浓缩铀反应堆重要概念设计评估和研究工作，并将重点关注模块化、可持续性设计。此外，引力推进和量子推进的理论研究也取得了相关进展。

二 液体推进技术

（一）美国

2019年，NASA的商业载人航天计划获得重大进展。2019年3月，美国太空探索（SpaceX）公司的“猎鹰”9号火箭搭载“载人龙”飞船，完成了首次无人测试发射，并成功回收了火箭一级助推器；4月，成功完成对承担首次载人发射任务的“猎鹰”9号火箭一级发动机的静态热试车考核。2019年5月，美国蓝色起源（Blue Origin）公司打造的 New Shepard亚轨道飞行器进行了飞行试验，以为载人飞行做准备；同期，该公司的BE-7发动机首次公开亮相，这是一款高效的变推力发动机，具有重启能力并可为空间推进提供动力。同月，美国波音公司的 CST-100 Starliner完成了关键推进系统试验，试验模拟了推力器在轨机动和高低空状态下的任务中止模式。

在新一代运载火箭方面，美国联合发射联盟（ULA）公司的新一代运载火箭Vulcan Centaur在2019年5月完成了最终设计评审，该火箭的第一级采用BE-4发动机，上面级采用RL-10发动机。 2019年8月，美国内华达山脉（SNC）公司宣布其公司的迷你版太空飞机 Dream Chaser将使用Vulcan Centaur火箭进行发射；“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机已于2018年12月完成了最终设计评审，并进入投产阶段。美国Aerojet Rocketdyne公司恢复了RS-25发动机热试车，此外，还交付了8台490N R-4D辅助发动机，用于“猎户座”飞船的欧洲服务模块。2019年8月，NASA的太空发射系统火箭全尺寸模拟件，被吊装到 斯坦尼斯航天中心的B2试验台上（见图1），进行了操作演练，为计划在2020年5月用于EM-1任务的 SLS芯级发动机安装和热试车作准备。

图1 太空发射系统火 箭芯级在斯坦尼斯航天中心B2试验台进行操作演练

在小推力器方面，2019年1月，Aerojet Rocketdyne公司的单组元肼推力器驱动“新视野”号探测器飞到太阳系的边缘，距 离柯伊伯带的Ultima Thule天体仅有3500km。2015年7月，它曾飞越了冥王星，并传回史上最清晰的冥王星照片。“新视野”探测器的推进系统包括16台单组元肼推力器，其中4台4.4N推力器用于轨道修正，另外12台0.8N推力器用于对探测器的加速或减速自旋。2019年6月，作为Aerojet Rocketdyne公司、美国鲍尔航空航天公司、NASA和美国空军研究实验室合作项目的一部分，N ASA首次在太空测试了无毒的玫瑰色液体推进剂AF-M315E及其推进系统。

在增材制造技术方面，2019年2月，美 国维珍轨道（Virgin Orbit）公司研制的全尺寸、3D打印的高压液氧/煤油火箭发动机燃烧室在NASA位于美国阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心完成了试验，该燃烧室采用了增材制造技术打印的铜合金GRCop-84材料。试验点火时间为2460s，推力达8900N。2019年 4月，Aerojet Rocketdyne公司还完成了其新一代RL10C-X发动机的初步试验，该发动机使用了3D打印的喷注器和推力室。

（二）欧洲

2019年，欧洲阿里安集团对“阿里安”6号运载火箭的低温推进系统进行了鉴定试验；6月，Vinci上面级发动机通过了最终鉴定评审；7月，一级发动机Vulcain 2.1版本完成了鉴定试验，累计工作时间为 13800s。Prometheus发动机是欧洲研发的低成本可重复使用发动机的样机，也是欧空局（ESA）未来在运载器筹备计划的重要部分，其推进剂为液氧和甲烷。Prometheus液氧甲烷发动机完成了分系统的生产准备评审工作，并计划于2020年对2台工程样机进行热试车试验。

（三）日本

2019年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）继续为新一代火箭“H3”打造LE-9一级发动机和LE-5B3二级发动机，争取在2020年实现首次发射。LE-9发动机长约3.75m，喷管出口直径约1.8m，质量为2.4t，于2019年10月完成了工程样机的热试车，12月在种子岛航天中心启动鉴定试验。“H3”火箭的一级并联点火试验（2台LE-9发动机）早在2018年12月就已经启动，于2019年12月在Tashiro试验场完成鉴定试验。LE-5B3发动机于2019年2月在Kakuda航天中心和Tashiro试验场完成了鉴定试验。

三 电推进技术

（一）美国

NASA喷气推进实验室正在研制适用于星际航行的先进亚千瓦级电推进系统，目标达到150～1000W的节流范围和100kg的氙气消耗量，峰值系统效率不小于50%，推力器、功率处理单元、流量控制器和万向节的干重不大于10kg。2019年7月，NASA“Psyche”任务中JPL与美国Maxar公司联合研制的改进型SPT-140霍尔电推进系统完成全系统测试，计划于2022年发射，并在2026年与“Psyche”16小行星交会对接。“Psyche”任务是NASA探索计划的一部分，旨在利用一枚深空探测器对小 行星“Psyche”进行探测。

2019年2月，Aerojet Rocketdyne公司研制的4台XR-5霍尔推力器组搭载Hellas-Sat卫星发射；8月，4台XR-5推力器搭载AEHF-5号卫星发射。同年4月，Aerojet Rocketdyne公司研制的肼电弧推力器搭载“阿拉伯”6A卫星和另一颗地球静止轨道卫星发射，用于南北位置保持。大功率电推进将很快成为NASA载人航天计划的一部分。2019年5月，NASA将月球“门户”计划的能源与推进模块合同授予Maxar公司，能源与推进模块将携带2台Aerojet Rocketdyne公司研制的13kW先进霍尔电推进系统和4台Busek公司研制的6kW霍尔推力器。8月，13kW的霍尔推力器进行了全功率试验，发射时间定于2022年。2019年 9月，Aerojet Rocketdyne公司和分包商美国俄亥俄州的ZIN技术公司完成了第一批计划飞行验证的7kW NEXT-C离子推进系统的装配工作。2021年，NEXT-C将会搭载NASA双小行星进行重新定向任务（DART）发射。

2019年初，美国Busek公司研制的BHT-200霍尔推力器开始在2018年12月发射的FalconSat-6卫星上工作。2019年11月，Busek公司交付了首台小功率碘工质离子推力器飞行系统，并于12月交付了另外2台。Busek公司的BHT-600霍尔推力器的长程试验持续到11月，在600W工况下，累计工作时间6300h，总冲为860kN·s，氙消耗量60kg。

2019年9月，美国阿斯特拉（Astra）火箭公司启动了可变比冲磁等离子体火箭VX-200SS的测试程序（见图2），并实现了100kW工况下热稳态工作的里程碑式突破。Astra火箭公司还对技术成熟度为5级的120kW功率处理单元进行了全功率测试，测试结果显示其效率已达到98%。

图2 Astra火箭公司的100kW可变比冲磁等离子体火箭发动机羽流

2019年5月，60颗使用氪气霍尔推力器的卫星发射并在轨运行，标志着SpaceX公司的“星链星座”计划已初具规模。SpaceX公司已获得美国联邦通信委员会（FCC）的批准，可以再发射数千个卫星。2019年5月，美国Accion公司完成了一个测试单元的2500h不间断点火，总冲达到100N·s，创造了电喷推力器芯片技术的记录。

（二）欧洲

2019年伊始，欧空局的“贝皮·哥伦布”（Bepi Colombo） 水星探测器继续向水星靠近，探测器的动力系统使用QinetiQ公司的离子推力器，功率处理单元由Airbus-Crisa研制。BepiColombo在2018年发射，计划于2025年抵达水星。

2019年2月，OneWeb卫星公司发射了其首批研制的6颗卫星。该公司的小功率电推进系统，由欧洲空客公司设计，采用氙气霍尔推力器，先进电子设备和推进剂调节系统。电推进分系统也是空客Arrow卫星平台的一部分。

（三）日本

日本东京大学的研究人员研制并测试了一种3U立方星AQT-D，该卫星装备了一台以水为工质的1U电阻加热推力器QUARIUS， AQT-D卫星于2019年9月发射到了国际空间站。

四 固体推进技术

（一）美国

2019年6月，Aerojet Rocketdyne公司交付了用于“猎户座”飞船的分离发动机，取得了具有里程碑意义的重大进展。一 旦发射任务失败，分离发动机负责在乘员舱与主飞行器分离并重新定向后，将“猎户座”的发射中止系统与乘员舱分离，使乘员舱安全降落至大西洋。

Northrop Grumman公司也参与了“猎户座”载人飞船的研制。2019年7月，“猎 户座”飞船进行了发射中止系统的逃逸试验（见图3），使用了Northrop Grumman公司提供的从Peacekeeper洲际弹道导弹改进而来的助推器。此外，Northrop Grumman公司还提供了逃逸发动机和姿控发动机。

2019年，Nor throp Grumman公司对其他几种固体燃料火箭发动机进行了多次试验。4月，该公司对新研制的直径为1.6m的石墨环氧发动机进行了第二次地面试验。该款发动机简称GEM 63，为捆绑式固体助推器，其将为ULA的“宇宙神”5号火箭提供额外的推力。5月，Northrop Grumman公司的新型火箭OmegA的一级固体发动机完成了试验，发动机持续点火时间为122s，推力超过8900kN。

图3 “猎户座”进行发射中止系统飞行试验

（二）欧洲

2019年1月，欧空局、法国国家空间研究中心和欧洲推进公司合作，对P12 0C固体火箭发动机的首个鉴定模型进行了第二次试验。阿里安集团和Avio公司共同研发了P120C，以支持“阿里安”6号和Vega-C火箭。该发动机被安装在一个整体式碳纤维壳体内，成为世界上最大的单体碳纤维固体发动机。

五 高速吸气式推进技术

（一）美国

2019年8月，美国空军宣布，Northrop Grumman公司制造的吸气式超燃冲压发动机创下空军新纪录。美国空军用了9个月的时间对这个5.49m长的发动机进行了测试，测试中发动机总共运行了30min，在发动机以高于马赫数为4的速度条件下产生了高达近57.8kN的推力。试验是在田纳西州空军阿诺德工程发展中心的气动与推进试验单元（APTU）进行的，如图4所示。

与美国空军的上一个大型超燃冲压发动机项目X-51的飞行试验相比，这台5.5m长的发动机成功地越过了一系列超声速马赫数，达到了前所未有的运行时间。美国空军研究实验室航空航天工程师Todd Barhorst在一篇新闻报道中说道：“10倍于X-51流量的新发动机将使更大尺寸量级的超燃冲压发动机成为可能”。Todd Barhorst负责中等尺寸关键部件超燃冲压发动机项目。该项目是美国空军研究实验室于2011年启动，旨在研究10倍于X-51A的较大尺度超燃冲压发动机技术项目。其硬件工作条件是：中等马赫数，空气流量是X-51A的10倍（45.4kg/s）。为满足 10倍流量的试验要求，需对APTU的现有测试系统进行大幅改进，包括燃料加热系统、发动机点火系统和3个可换的直连喷口。2012年，美国空军实验室启动了这些系统的升级改造工作，并一直持续到2014年。这次试验的成功得益于APTU为期2年的升级改造。

图4 在阿诺德工程发展综合体的气动与推进试验单元，1台超燃冲压发动机创下新记录

2019年6月，美国普渡大学获得了一份美国空军实验室授予的价值590万美元的合同，为计划在该大学建造的马赫数为8的安静风洞进行风险降低和设计研究。

（二）加拿大

2019年7月，加拿大航天发动机系统公司对一台4kN推力级的发动机进行了整机试验，模拟了从起飞到飞行到近30km的高空，达到马赫数为5的工况。该公司的目标是打造一架单级入轨飞行器，以超燃冲压发动机为动力。2019年，该公司完成了无连接钛合金热交换器的性能验证，仅用了不到11ms的时间就降低了3.9MW。将纳米颗粒注入上游氢气中，传热速率提高了40%，从而确认了选择碳化硼纳米颗粒用于快速预冷、冲击波控制，以及增强燃烧的性能。

（三）欧洲

德国航空航天中心（DLR）的空间推进研究所进行了系列试验，研究超燃冲压发动机的声流不稳定性和发汗冷却系统的适用性，以及楔形/火焰稳定器与冷却剂二次流之间的相互作用。德国航空航天中心的试验站位于德国巴登符腾堡州，燃烧室入口条件可以模拟马赫数为5.5～8的飞行速度。2019年1月，该试验站进行了升级改造，具备了光学测量能力，并安装了高速和伪彩色背景定向纹影仪。该中心对试验站的激波发生器位置进行了研究，用气氢作为二次冷却剂，经过不同多孔壁段，研究激波边界层的相互作用。多孔壁段是用烧结不锈钢和碳纤维增强陶瓷材料制成的。这些相互作用提高了气氢的冷却效率，同时反射/撞击冲击波和相互作用使冷却剂点火。 5月，德国航空航天中心还重点研究了燃烧室气流、喷嘴气流和入口气流的声学不稳定性。研究证明，噪声频率会对喷嘴和入口气流造成影响，但噪声大部分会被燃烧室吞没。

（四）日本

JAXA在2019年4月完成了一台缩小比例高超声速发动机和试验飞行样机的建造，简称高马赫数集成控制试验。

（五）印度

2019年6月，印度国防研究与发展组织（DRDO）对其高超声速技术验证飞行器进行了飞行试验，该飞行器是无人驾驶的超燃冲压发动机验证机，短时工作能力约为20s。该试验是在孟加拉湾的阿卜杜勒卡拉姆岛进行的。

六 固液混合推进技术

2019年2月，维珍银河公司将维珍“团结号”太空船（见图5）发射升空，共搭载3人，包括1名乘客和2名驾驶员。这艘飞船由1台固液混合发动机驱动，持续工作近60s，提供320kN的推力，飞行马赫数为3.04，远地点高度近90km，飞船随后将返回加利福尼亚州的莫哈韦太空港。

美国斯坦福大学的研究人员验证了实验室规模平板燃烧室混合燃料药柱的激光点火。他们在2019年7月展示了高速成像结果，确定了底层点火机理是在燃料热解和化学分解过程中形成的微小煤烟颗粒的夹带和激光加热。用几个简单光学器件组合而成的小型、轻质激光二极管，给燃料面特定点提供能量，加热煤烟颗粒，使其温度远远超过燃料热解所需的温度。然后这些颗粒将能量传给被蒸发的推进剂混合物，点燃发动机。实验证明，只有产生煤烟的那些燃料适用于这项技术，但该方法有望得到更广泛的推广应用。试验用的是单喷嘴发动机，嵌入较大、无煤烟产生的燃料药柱内，激光器对准相容燃料的小靶域。试验验证了发动机在大气、真空出口条件下的点火情况。

2019年，NASA的 JPL和马歇尔太空飞行中心继续进行火星上升飞行器的技术研发，该飞行器的目标是将火星表面采集的样本送入轨道。为此，美国Whittinghill Aerospace公司分别于2019年4月和7月，在莫哈韦航天港对一台全尺寸发动机进行了测试，发动机采用石蜡基燃料，氧化剂为氮氧化物MON-25。测试用的发动机和氧化剂按照推测的火星操作温度-20℃进行调控。在这项研究中，研究人员实现了持续60s的高性能、稳态燃烧。

图5 维珍“团结号”太空船试飞成功

此外，2019年8月，普渡大学的研究人员宣称，他们的研究结果表明，在含MON-25的燃料药柱前端添加不同的自燃固体颗粒，石蜡基混合发动机可以实现自燃点火和多次重复点火。试验结果与之前完成的MON-3试验一致，其中有些试验中出现了点火延迟现象。

为提高燃烧速率和效率，先进固液混合火箭发动机广泛地采用了增材制造技术。2019年，美国Aerospace Corporation公司生产了中空的液体燃料药柱，利用3D打印技术来测量煤油等液体燃料的输送量。这种安排兼顾了液体发动机的性能和固液混合发动机的安全性与简易性的优点。2019年上半年，该公司试飞了一枚先进的混合动力火箭，其上采用了这种新型液体燃料药柱和一台54mm口径的火箭发动机。

在另一个项目中，美国Aerospace Corporation公司和美国宾夕法尼亚州州立大学继续研制用于立方星的混合推进单元。2019年年初，宾州州立大学的合作研究人员验证了该混合推进单元的启动、停机和重启能力，之后将其送回宇航公司进行进一步的研究。该推进单元包括一个3D打印固体燃料药柱，置于燃烧室内，被环形氧化剂贮箱包围。燃烧室/贮箱组件是用直接金属激光烧结工艺制造的，利用了3D打印技术，用激光将金属粉末熔化在一起。这项技术简化了具有热性能和机械性能的复杂零件的生产工艺，而这些性能是推进系统所需要的。

七 核推进技术

自 2016年 以来，NASA一直致力于用于核热推进的低浓缩铀反应堆的研究。由NASA牵头的低浓缩铀核热 推进项目旨在研制一台验证机，用于载人登陆火星任务的测试，并计划于2030年之前进行飞行验证。2019年NASA完成了对低浓缩铀核热推进的重要概念设计评审和研究 工 作。2019年5月，Aerojet Rocketdyne公司对LEU-NTP发动机的性能预测模型进行了改进。2019年7月，NASA马歇尔太空飞行中心的研究人员通过各种设计流程，重新审查了验证飞行器的概念。2019年8月，一项研究报告称虽然低浓缩铀反应堆的质量比高浓缩铀反应堆高，但其设计可以满足核热推进项目的任务、寿命和可操作性要求，同时不太需要担忧安全性和扩散问题。美国能源部的桑迪亚国家实验室、橡树岭国家实验室和爱达荷国家实验室与马歇尔太空飞行中心和美国BWX技术公司合作，为低浓缩铀核热推进燃料选择和反应堆设计开辟了一条前进道路。2019年8月，Stan Borowski等人对核热推进和就地资源利用方面的最新设计研究工作进行了总结，可将这两种技术结合起来进行可行性实验。该研究对使用核热推进任务规划和建模至关重要。

在其他先进推进领域，2019年4月，NASA创新先进概念办公室在第二阶段中期检查会上，授予美国加州州立大学 富尔顿分校荣誉称号，以奖励其在2018年中对马赫效应做出的卓有成效的工作。马赫效应是引力推进的一种理论形式，不排出物质，只使用电能实现推进的目的。德国、加拿大、意大利及美国等国研究人员通过大量实验开展推力平衡校准、实验程序、信号放大和理论修正等方面研究工作。目前，马赫效应装置产生的力小于10μN，但信号的真实性和来源尚不能确定。一旦该理论被验证，马赫效应将为新的物理学推进技术铺平道路，并将在空间系统之外的领域得到广泛的应用。

2019年8月，美国伊利诺伊州量子场公司、美国得克萨斯州高等研究所、美国贝勒大学天体物理中心空间物理与工程研究所的研究人员发表了一项新成果，内容是关于制造和获取广义相对论理论上所需的负量子真空能量密度，以产生新的推进方案，如曲速引擎和虫洞。这项工作提出了一个惊人的事实，即产生这种能量所需的量子不确定性理论尚未经过实验验证。研究人员分析了已知的各种技术方案，用被称为“压缩光”的技术产生“压缩真空态”，并发现这些限制与公开出版的量子光学压缩光实验相违背。Casimir效应（两个Casimir腔壁之间存在负真空能量密度）也有望证明量子不确定性理论与试验结果是相违背的，但这次试验由于存在大量的技术难题，尚未在实验室得到验证。量子不确定性理论与试验相违背的结果是大自然并没有对技术上产生和获取负真空能量密度施加任何真正意义上的限制；这一结果意味着对于产生曲速引擎或可穿越的虫洞，在获得比光速更快的动力实现星际飞行这方面不应该人为地设置障碍。

八 结束语

回望2019年，美国、欧洲、日本等国家和地区成功试验了多款火箭发动机和空间推进系统，支持了新一代运载火箭、商业乘员计划等项目的研制，取得了具有里程碑意义的进展。展望2020年，全球航天产业将迎来“超级大年”，多款新型火箭即将迎来首飞，商业载人航天蓄势待发，深空探测密集开展。未来，在航天项目的牵引下，航天推进技术也将取得更多的进展和突破。