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“天鹊”发动机

液氧甲烷发动机

液氧甲烷发动机是具有无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重复使用等特点的发动机，代表了航天主动力技术的发展方向。

背景信息
“天鹊”发动机是中国推力最大的双低温液体火箭发动机，也是继美国SpaceX的猛禽发动机、蓝色起源的BE-4发动机之后，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。
研发历史
从2006年以来，北京11所深入开展了60吨级液氧甲烷发动机关键技术研究。经过五年的艰苦攻关，突破了多项关键技术。据悉，本次试验是国际上首次60吨级液氧甲烷发动机试验，其工作参数在世界同类发动机试验中是最高的，表明我国液氧甲烷发动机研究居于国际领先水平，也成功探索了基于现有氢氧发动机平台研制低温液氧甲烷发动机的新途径。
“天鹊”发动机于2017年启动相关研制工作，先后完成了燃气发生器试车、短喷管推力室试车、半系统试车等重大试验。
2019年5月17日，80吨液氧甲烷发动机——“天鹊”(TQ-12)20秒试车在浙江湖州圆满成功。这意味着，中国民营企业首次掌握百吨级液体火箭发动机的全部关键技术，并具备了发动机研制所需的全部保障能力。截至5月17日，“天鹊”发动机在一周时间内共进行了4次试车，最长试车时间为20秒，发动机起动关机平稳迅速，正常工作段参数稳定，发动机各项性能均达到了设计要求。
2019年7月，蓝箭航天自主研发的天鹊10吨级液氧甲烷发动机（TQ-11）推力室650秒长程试车圆满成功。
2019年7月22日，“天鹊”TQ-12液氧甲烷发动机100%推力试车取得成功，最长试车时间100秒。“天鹊”TQ-12发动机是国内推力最大的可重复使用液氧甲烷发动机，其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，是世界第三、亚洲第一大推力的液氧甲烷发动机。80吨发动机TQ-12通用于火箭一级和二级，10吨级发动机TQ-11通用于火箭的二级游机和三级主动力。通过两型发动机的并联组合，覆盖了从小型、中型到大型的“朱雀”全系列火箭家族。“天鹊”两型液氧甲烷发动机TQ-11与TQ-12将构成“朱雀二号”运载火箭的动力系统。
2022年8月，TQ-12A二次起动试车成功标志着蓝箭航天“天鹊”系列液氧甲烷发动机已经完全具备了可重复使用能力，有效增强了“朱雀”系列运载火箭各类任务轨道卫星的发射能力，并为子级回收需求及可重复使用提供了基础技术保障。
2022年10月，“天鹊”真空型液氧甲烷发动机（ TQ-15A）在湖州成功完成了首次全系统热试车，试验时长20秒，试验过程中发动机起动关机正常、工作平稳。
2024年3月7日，据蓝箭航天官微消息，朱雀二号02批遥一运载火箭二级发动机于湖州蓝箭航天动力制造基地完成装配和验收工作，作为首台天鹊A发动机，将亮相嘉兴蓝箭航天中心，开始火箭总装工作。
功能特点
该发动机具有无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重复使用等特点，代表了航天主动力技术的发展方向。
此款发动机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。
蓝箭航天动力研发部总经理葛明和表示，该款发动机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。
本轮试验圆满成功，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。
循环方式
燃气发生器循环系统简单、压力低，对材料、工艺的要求低，研制难度较低、周期较短、投入较少、成本较低、性能适中，更适合规模较小的商业航天公司。同时，更为重要的是发动机的力、热环境较好，便于实现重复使用。
补燃循环包括富氧补燃、富燃补燃和全流量补燃，其比冲性能比燃气发生器循环高约 10%，但系统复杂，压力是燃气发生器循环的几倍，研制难度大、周期长、投入多、成本高，更适合大型航天公司。补燃循环也可实现重复使用，但由于力、热环境非常复杂，研制难度大。膨胀循环分为开式膨胀循环和闭式膨胀循环，一般用于液氧液氢发动机。这是由于氢的分子量只有 2，涡轮的做功能力较强。对于液氧甲烷发动机，甲烷的分子量为 16，涡轮的做功能力远低于氢，如采用膨胀循环则发动机比冲很低，因此,液氧甲烷发动机不适宜采用膨胀循环。
通过上述分析，蓝箭航天两型液氧甲烷发动机均采用燃气发生器循环。
总体方案
蓝箭航天 80 t级液氧甲烷发动机采用燃气发生器循环，单台推力室、同轴式涡轮泵、泵后摇摆、火药点火（后期采用火炬点火实现多次点火）、分级起动、自生增压。8 t级发动机采用 4台推力室，其余系统配置与 80 t级发动机相同。两型发动机主要系统组成如下。
氧化剂供应系统：由主系统和副系统组成，包括氧泵、氧主阀、氧副阀、推力调节阀、节流圈及相应管路等组成。
燃料供应系统：由主系统和副系统组成，包括燃料泵、燃料主阀、燃料副阀、混合比调节阀、节流圈及相应管路等组成。
燃气系统：由推力室、燃气发生器、燃气导管、涡轮及排气管组成。主要功能是驱动涡轮做功，为氧换热器提供加热热源，组织燃烧产生推力。
控制与吹除系统：由控制气瓶、吹除气瓶、自锁电磁阀、控制电磁阀及相应管路、电缆等组成。主要功能是控制阀门的打开、关闭，并提供吹除气源。
点火起动系统：由火药点火器、火药起动器及相应电缆等组成。主要功能是在发动机起动时，带动涡轮泵起旋，点燃推力室、燃气发生器中的推进剂。
预冷回流/泄出系统：主要由吹除单向阀、节流圈、预冷泄出阀、预冷回流阀及相应管路组成。主要功能是发动机预冷时完成推进剂的回流、泄出与排放。
贮箱增压系统：由氧自生增压系统和燃料自生增压系统组成，包括增压气蚀管、增压单向阀、节流圈、换热器及相应管路等组成，主要功能是为贮箱提供增压气源。
调节系统：由推力调节阀、混合比调节阀和控制电机组成。通过电机运转，改变调节阀的流通面积，调节系统流量和压力，实现推力和混合比调节。
推力矢量控制系统：由常平座、软管和伺服机构组成。通过伺服机构控制推力室摆动，从而控制推力方向。
热防护系统：由隔热包覆层等组成，主要功能是对低温及高温部件进行包覆，减少低温部件和高温部件的热传导。
技术创新点
蓝箭航天以国内外和行业内外的最新技术为基础，勇于创新，突破并采用了一系列先进技术，主要包括：
（1）80 t发动机是国内首台作为工程型号的液氧甲烷可重复使用发动机，相关技术代表着航天主动力的发展方向，研发的故障诊断、使用维护技术已在多次试车中得到初步应用。
（2）大型泵压式液体火箭主发动机大范围推力调节技术，设计调节范围 50%~110%，具备分级起动功能，达到国内先进水平。
（3）液氧甲烷高效稳定燃烧技术，推力室燃烧效率达到 0.985，燃烧室脉动压力低于 0.1 MPa，达到国际一流水平。
（4）大型喷管激光焊接技术，此项技术为国内首创，达到国际领先水平。
（5）高效率低温泵技术，设计中采用了先进的仿真技术，氧泵效率 0.80，甲烷泵效率 0.72，振动幅值小于 50 g，达到国际先进水平。
（6）涡轮泵流体动压密封技术，此项技术是发动机重复使用的关键之一，具有低泄漏、零磨损、适应
多次起停等特点。
（7）高精度高压低温调节器技术，调节器由电机、控制仪驱动，实现低温发动机推力和混合比无级调节。此项技术是实现发动机大范围推力调节和运载火箭回收的关键，为国内首创。
（8）采用新型密封结构的低温阀门技术，在国内液体火箭发动机低温阀门中首次采用泛塞封动密封技术，大幅降低了阀门的制造成本，缩短了制造周期。
（9）泵后摇摆技术，相比传统的泵前摇摆技术，蓝箭航天立足最新技术，采用泵后摇摆方案，可有效减小摇摆力矩和摇摆空间，实现单向摇摆、双向摇摆。
（10）过冷推进剂技术，瞄准发射场和火箭的工程应用，将采用过冷液氧和甲烷，以提高发动机和火箭性能。
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