国内外上面级发动机技术发展现状与趋势

（上海宇航系统工程研究所）

国内外上面级发动机技术发展现状与趋势

Development Situation and Trend of Domestic and Foreign Upper Stage Engine Technologies

赵自强 刘汉兵 吴志亮（上海宇航系统工程研究所）

近两年，随着我国的远征—1、1A、2上面级相继完成首飞，“远征”系列上面级的型谱逐步完善。2015年3月30日，我国长征-3C/远征—1上面级（又称“太空摆渡车”）首次发射成功，将一颗“北斗”导航卫星送入预定轨道。2015年7月25日，长征-3B/远征—1上面级以一箭双星方式成功将两颗北斗导航卫星送入预定轨道。2016年6月26日，长征-7/远征—1A上面级（升级版“太空摆渡车”）成功将多用途飞船缩比返回舱、傲龙—1空间碎片主动清理飞行器、天鸽飞行器（2个）、在轨加注实验装置和翱翔之星等5项6个载荷送入预定轨道。2016年11月3日，长征—5/远征—2上面级成功将实践-17卫星送入预定轨道，远征—2上面级是我国目前规模最大、变轨能力最强的上面级。

1 引言

上面级是介于基础级火箭与有效载荷之间相对独立的运载器，具备轨道机动转移能力，将有效载荷送入预定轨道。上面级一般具有多次启动、长时间在轨工作、多任务适应等特点。上面级是提高基础级火箭运载能力和提升任务适应性的有效途径，从20世纪50年代开始，以美国和苏联为代表的世界航天强国就开始了上面级研发，先后研制出了数十种类型各异、功能多样的上面级。目前上面级应用广泛，以2011年国外火箭发射情况为例进行统计，2011年国外火箭发射共65次，其中使用上面级共41次，占63%。

上面级发动机是提高上面级运载能力及多任务适应性的关键，因此国外对上面级发动机技术非常重视，各航天强国都积极研发先进的上面级发动机。本文以主要用于轨道机动的液体推进上面级主发动机为研究对象，对上面级发动机现状和技术特点进行分析，以期找出一些趋势性、规律性的结果，为我国上面级发动机后续的技术发展提供借鉴与参考。

2 上面级发动机需求分析

为使上面级具备较强的轨道机动能力和多任务适应性，对上面级关键的发动机系统提出了如下需求：

1）比冲高。随着航天器发射市场的多样化发展，中高轨直接入轨、多星发射与轨道部署、进入环月轨道及深空探测等任务对运载能力大的上面级提出了迫切的需求。发动机比冲越高，速度增量越大、推进效率越高，从而上面级运载能力越大、任务适应性越强，因此要求上面级发动机比冲高。

2）多次起动。目前航天器发射市场上不同轨道的多颗卫星组合发射、低地球轨道（LEO）/中地球轨道（MEO）星座部署等任务均要求上面级具备多次机动变轨能力，且对上面级机动变轨次数的需求随着有效载荷数量、轨道数量的增加而增加。此外，为了完成深空探测、地球静止轨道（GEO）直接入轨等任务，需要采取灵活的变轨策略，这对上面级长时间轨道滑行与多次启动能力均提出了较高的要求。因此，为了提高上面级多任务适应性，要求上面级发动机具备多次起动能力。

3）工作时间长。多星发射、地球静止轨道直接入轨、深空探测、星座部署、在轨服务等任务均要求上面级具备较长时间在轨工作能力，因此要求上面级发动机工作时间长。

4）可摇摆。在多星发射、星座部署等任务中，为适应卫星非对称分离时由于大质心偏移带来的干扰力矩，一般要求上面级主发动机可摇摆，从而通过发动机预先摇摆来对准上面级与卫星组合体的质心，以消除此项干扰力矩。

5）其他。另外，要求上面级发动机适应空间环境、推质比大、工作可靠、使用安全、维护方便、成本低。

3 国外上面级发动机技术发展情况

国外上面级发动机现状

“阿金纳”系列上面级发动机主要技术参数

国外研制了数十种性能良好、工作可靠的上面级发动机，以如下典型的上面级发动机为代表。

（1）美国

1）“阿金纳”（Agena）上面级发动机。“阿金纳”是美国第一种具有多次启动能力并能在轨机动飞行的上面级。“阿金纳”上面级与“大力神”（Titan）、“宇宙神”（Atlas）、“德尔他”（Delta）等基础级火箭组合使用，是首次完成一次发射8颗卫星的运载器，它发射了美国第一批月球、金星、火星等探测器。“阿金纳”系列上面级有阿金纳-A、B、D、上升阿金纳等4种型号。“阿金纳”系列上面级发动机由贝尔公司研制。

2）“半人马座”（Centaur）上面级发动机。

“半人马座”是世界上第一种以液氧/液氢为推进剂的高能上面级。“半人马座”上面级与“大力神”、“宇宙神”等基础级火箭组合使用，发射了大量月球、火星、木星、金星、太阳等探测器及中高轨卫星。“半人马座”系列上面级有半人马座-D、D1-A、D1-T、G1、2、2A、3和通用“半人马座”等8种型号。“半人马座”系列上面级发动机由普·惠公司研制。其中，通用半人马座上面级是在半人马座-2A、3基础上改进而成，根据不同的任务需求配置单台或双台RL-10A-4-2发动机，发动机喷管可延伸，并采用冗余的点火模块来提高发动机点火可靠性。

2014年12月13日完成NROL-35卫星发射任务的通用“半人马座”上面级首次采用单台RL-10C-1发动机，其真空推力101.8kN，真空比冲4418N·s/kg。

RL-10A-4-2发动机

RL-10C-1发动机

“半人马座”系列上面级发动机主要技术参数

（2）俄罗斯

1）“弗雷盖特”（Fregat）上面级发动机。“弗雷盖特”上面级是一种自主、灵活的上面级，主要与联盟号火箭组合使用，可以把有效载荷送入多种不同的轨道，主要用于多星发射、中高轨直接入轨、深空探测等任务。

“弗雷盖特”系列上面级主要包括弗雷盖特-M、MT、SB等型号。“弗雷盖特”上面级采用可摇摆的S5.92发动机，由奇马什设计局研制。S5.92发动机使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂。通过节流调节，S5.92发动机有大推力（19.85kN）和小推力（14kN）两种工作模式，大推力模式可以使“弗雷盖特”上面级以较大速度变化进行轨道机动，小推力模式可以使“弗雷盖特”上面级以高精度或者较小速度变化进行轨道机动，大推力模式真空比冲3243.8N· s/kg、小推力模式真空比冲3096.8N·s/kg。S5.92发动机工作时间900s，可重复起动20次，已在飞行中验证了6次重复起动。

2）“微风”（Briz）上面级发动机。“微风”上面级与“质子”（Proton）、“安加拉”（Angara）等基础级火箭组合使用，主要执行地球同步转移轨道（GTO）、地球静止轨道（GEO）等中高轨道直接入轨发射任务。“微风”系列上面级主要包括微风-K、M、KM等型号。

“微风”上面级采用可摇摆的S5.98发动机。S5.98发动机使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，真空推力19.62kN，真空比冲3189.9N ·s/kg，工作时间3ks，可重复起动8次，并且安装有备份点火模块，该模块能够在主点火程序失败情况下起动发动机。

（3）欧洲

欧洲航天局（ESA）研制了多型与阿里安-5（Ariane-5）火箭组合使用的上面级，既有常规液体上面级EPS、EPSV，也有低温上面级ESC-A、ESC-B，主要用于地球同步转移轨道等中高轨道直接入轨发射任务，且大部分任务采用“一箭双星”发射方式。

1）EPS上面级发动机。阿里安-5G（基本型）上面级采用可摇摆的“艾斯特斯”（Aestus）发动机。“艾斯特斯”发动机使用四氧化二氮/一甲基肼推进剂，真空推力29.4kN，真空比冲3151N·s/kg，工作时间1040s，仅可起动一次。

2）EPSV上面级发动机。EPSV上面级是EPS上面级的改进型，其采用的“艾斯特斯”发动机真空推力30kN，真空比冲3158N ·s/kg，工作时间1045s，可重复起动5次。

3）ESC—A上面级发动机。ESC-A上面级采用可摇摆的HM-7B发动机。HM-7B发动机使用液氧/液氢推进剂，真空推力64.8kN，真空比冲4369N ·s/kg，工作时间970s，仅可起动一次。

4）ESC—B上面级发动机。ESC-B上面级采用“芬奇”（Vinci）发动机。“芬奇”发动机使用液氧/液氢推进剂，真空推力180kN，真空比冲4560N ·s/kg，可重复起动5次。由于长度限制，发动机采用可延伸喷管。

S5.92发动机

S5.98发动机

“艾斯特斯”发动机

HM—7B发动机

国外上面级发动机技术发展趋势

分析国外上面级发动机的技术特点及发展脉络，可以看出国外上面级发动机技术发展呈现以下趋势。

（1）发动机比冲提高

1）通过发动机真空比冲的提高来提升发动机性能，从而提高上面级运载能力。“阿金纳”系列上面级从最初的Bell 8048发动机改进为Bell 809633发动机，真空比冲从2697N ·s/kg增加至2853.7N·s/kg；半人马座系列上面级RL-10A-3-3发动机经过多次改进后，优化为最终的RL-10A-4-2发动机，单台发动机真空比冲从4354.2N ·s/kg增加至4418N·s/kg。

2）通过使用低温推进剂大幅提高发动机真空比冲来提升发动机性能，大大增强了上面级的空间运输能力。通用“半人马座”上面级RL-10A-4-2发动机使用液氧/液氢推进剂，真空比冲可达4418N·s/kg，比目前使用常规液体推进剂中真空比冲最高的“弗雷盖特”上面级S5.92发动机高1174.2N ·s/kg。采用高比冲的低温推进剂发动机可极大地增加上面级总冲，从而大幅提高上面级运载能力，低温推进剂优良的比冲性能吸引了各国发展低温上面级发动机。欧洲航天局研制的ESC-A上面级HM-7B发动机使用液氧/液氢推进剂，真空比冲达到4369N ·s/kg；ESC-B上面级芬奇发动机也使用液氧/液氢推进剂，真空比冲高达4560N ·s/kg；俄罗斯研制的安加拉-A5火箭上面级（KVRB）11D56M发动机使用液氧/液氢推进剂，真空比冲4522N ·s/kg；日本研制的H-2A/B火箭上面级LE-5B发动机使用液氧/液氢推进剂，真空比冲4393N ·s/kg；印度研制的地球同步轨道卫星运载火箭（GSLV MK2）C12上面级发动机使用液氧/液氢推进剂，真空比冲4429.6N· s/kg。

3）通过可延伸喷管技术增加发动机面积比来提高上面级发动机比冲。“半人马座”上面级RL-10A-4-2发动机凭借着强大的工艺水平采取喷管分段设计，由一个固定喷管和一个可延伸喷管组成，可延伸喷管使得发动机面积比增加。ESC-B上面级“芬奇”发动机也采用可延伸喷管。

（2）发动机起动次数增加

发动机起动次数增加，一方面可采用轨道滑行的方法提高上面级运载能力，另一方面可提高上面级多任务适应性。因此，国外不少上面级发动机均从最初的仅能起动一次发展为可起动多次。美国“阿金纳”上面级Bell 8048发动机只能起动一次，改进后的Bell 809633发动机可起动3次以上；欧洲航天局的EPSV上面级艾斯特斯发动机在EPS上面级的基础上改进，起动次数从一次增加至5次；欧洲航天局的ESC-A低温上面级HM-7B发动机仅能起动一次，ESC-A上面级升级版的ESC-B上面级采用芬奇发动机，发动机起动次数也从1次增加至5次。

国外很多上面级发动机均可多次起动。俄罗斯任务适应性极强的“弗雷盖特”（Fregat）上面级S5.92发动机可起动20次；欧洲织女号（AVUM）火箭上面级RD-869发动机可起动5次；“质子”火箭D系列上面级11D58M发动机可起动7次。

（3）发动机工作时间延长

通过发动机工作时间的延长来提高上面级多任务适应性。“阿金纳”上面级Bell 8048发动机改进为Bell 8096发动机，工作时间从120s延长至240s，延长了一倍；“半人马座”上面级RL-10A-3-3A发动机的工作时间从最初的450s延长至505s。

（4）发动机可靠性提高

提高发动机可靠性的措施多种多样，以下列举2个有技术特色的国外上面级发动机提高可靠性的措施：

1）选用已有成熟的发动机，从源头上确保了上面级发动机的可靠性。“弗雷盖特”上面级S5.92发动机在应用于“弗雷盖特”上面级之前已经在27种航天器上使用过，成功飞行了30年。

2）采用备份点火模块，提高发动机点火工作可靠。微风-M上面级S5.98发动机可重复起动8次，并且有备份点火模块，能够在主点火程序失败情况下重新起动发动机。

（5）发动机成本降低

通过多个型号共用高性能发动机来使发动机产品成本降低。“半人马座”上面级最新采用的RL-10C-1发动机充分继承了德尔他-4火箭RL-10B-2发动机和通用“半人马座”上面级RL-10A-4-2发动机的成熟模块，继承了RL-10B-2发动机的燃烧室、喷注器、喷管以及RL-10A-4-2发动机的涡轮机、混合比调节控制器、点火冗余模块等部组件。通过对RL-10B-2及RL-10A-4-2两种发动机优化组合，RL-10C-1发动机成为一型性能优良、可靠性高、成本低的产品，作为“半人马座”上面级、德尔他-4火箭末子级2个型号共用。

4 国内上面级发动机技术发展情况

国内上面级发动机现状

国内现役上面级有远征-1、2上面级，在研上面级有远征-3上面级。

远征-1、2上面级均是在国家某重大专项工程的需求牵引下研制，远征-1上面级与长征-3A系列火箭组合使用，专用于“北斗”导航卫星“一箭一星”或“一箭双星”发射任务。2015年3月30日远征-1上面级首次发射成功，将一颗“北斗”导航卫星送入预定轨道，2015年7月25日远征-1上面级以“一箭双星”方式成功将两颗“北斗”导航卫星送入预定轨道。远征-1上面级采用液发-50D发动机，液发-50D发动机使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，真空推力6.5kN，真空比冲3095N ·s/kg，工作时间约1000s，可起动两次。液发-50D发动机为燃气发生器循环泵压式液体发动机，由推力室、涡轮泵、火药启动器、燃气发生器、阀门及管路等组成。远征-2上面级与长征-5火箭组合使用，专用于“北斗”导航卫星“一箭四星”发射任务。远征-2上面级采用液发-51D发动机，由液发-50D双机并联组成，真空推力13kN。液发-51D发动机真空比冲、工作时间、起动次数等其它性能与液发-50D相同。

远征-3上面级与长征-2D、4B等火箭组合使用，主要用于中小卫星异轨多星发射及星座组网部署。远征-3上面级采用可摇摆的液发-5000发动机，该发动机使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，真空推力5kN，真空比冲3000N ·s/kg，工作时间1000s，可起动21次。液发-5000发动机为挤压式再生冷却发动机，由推力室、阀门、摇摆框架及管路等组成。

国内长征-3A系列火箭三子级液发-75发动机使用液氧/液氢推进剂，可起动两次，单台发动机真空推力82.8kN，真空比冲4292.4N ·s/kg，性能较好，可以作为对起动次数要求不高、用来提高基础级火箭运载能力的上面级发动机使用。同时，目前国内也在开展20kN、30kN低温上面级发动机预先研究。20kN低温上面级发动机使用液氧/煤油推进剂，真空推力20kN，真空比冲3488.8N ·s/kg，可起动10次；30kN低温上面级发动机使用液氧/甲烷推进剂，真空推力30kN，真空比冲3544.7N ·s/kg，可起动20次，工作时间1000s。

此外，国内“神舟”飞船2.5kN发动机、嫦娥-5轨道器3kN发动机、嫦娥-3着陆器7.5kN发动机等发动机均采用常规液体推进剂，真空推力约2920～3058N·s/kg，可多次起动，能够作为对发动机比冲要求不高、用来提高多任务适应性的上面级发动机使用。

与国外上面级发动机的差距

与国外先进的上面级发动机技术相比，我国在上面级发动机技术发展上的主要差距如下：

1）国内现役及在研的常规液体上面级发动机比冲较低，发动机性能有待提高。远征-1、2上面级液发-51D、50D发动机真空比冲3095N ·s/kg，比“弗雷盖特”上面级S5.92发动机低148.8N· s/kg；远征-3上面级FY-5000发动机真空比冲3000N· s/kg，比“弗雷盖特”上面级S5.92发动机低243.8N· s/kg。

2）国内现役及在研的上面级发动机没有使用高性能低温推进剂，发动机性能相对较低。国内“远征”系列上面级发动机均采用可贮存的常规液体推进剂，真空比冲3000～3095N ·s/kg，比ESC-B低温上面级芬奇发动机低1465～1560N ·s/kg。而国内使用液氧/煤油、液氧/甲烷推进剂的低温上面级发动机预研刚起步，短期内尚不能装备于上面级上进行应用。

3）目前国内远征-1、2上面级泵压式液发-51D、50D发动机仅能起动两次，发动机起动次数较少，远征-1、2上面级只能用于抬升轨道来提高基础级火箭的运载能力，多任务适应性较差。

5 我国上面级发动机技术发展建议

通过对国外上面级发动机技术特点与发展趋势进行分析，结合我国上面级发动机技术发展现状，为了缩小与国外先进上面级发动机的技术差距，对于我国上面级发动机技术的未来发展提出如下几点建议：

1）提高常规液体上面级发动机性能。提高上面级发动机性能可以增大上面级的运载能力，提升上面级多任务适应性。建议对现役及在研的常规液体上面级发动机采取改进与优化设计、使用新材料、采用新工艺等措施来提高发动机性能。例如，可使用复合材料喷管以减轻发动机结构重量，提高发动机推质比。

2）提高泵压式上面级发动机起动次数。目前国内泵压式液发-51D、50D发动机仅可起动两次，发动机起动次数较少，远征-1、2上面级很难满足不同任务的发射需求。建议开展上面级泵压式发动机系统及各组件多次起动技术研究，突破其关键技术。

3）确保上面级发动机高可靠。为了确保上面级发动机高可靠，可采取以下措施：①在满足功能性能的基础上，尽量采用简单的发动机系统设计方案，并减少发动机零部件数量，尤其是活动部件的数量；②组成发动机系统的部件、组件尽量选用成熟产品；③在发动机生产过程中尽量简化制造工艺。

4）发展低温上面级发动机。随着航天推进技术的发展，不但要求发动机具有良好的性能，而且要求其对环境的污染小。低温上面级发动机具有高比冲、绿色无毒等优点，其性能优于常规液体上面级发动机，是国内外上面级发动机技术发展的趋势。常用的低温推进剂有液氧/液氢、液氧/煤油、液氧/甲烷，建议尽快开展以液氧/液氢、液氧/煤油、液氧/甲烷作为推进剂的上面级发动机方案研究与关键技术攻关，尤其需重点解决低温上面级发动机适应空间环境、推进剂长期在轨蒸发量控制等难题。

5）开展上面级发动机变推力技术研究。可变推力的上面级发动机能够使上面级在不同飞行任务段采用不同大小的推力，从而增加上面级轨道机动的灵活性，提高上面级多任务适应性。通过改变推进剂流量进行混合比调节等措施可实现上面级发动机变推力。建议开展上面级发动机变推力技术研究，突破其关键技术。

6）跟踪上面级发动机前沿技术。采用高能先进动力以进一步提升上面级发动机性能是未来上面级发动机技术发展的趋势之一，建议紧密跟踪国外对于电推进、核推进、离子推进、太阳能推进、混合推进等先进动力应用于上面级发动机的研发进展，可尽早开展采用先进动力的上面级发动机技术预先研究。

6 结束语

常规液体上面级发动机比冲提高、使用低温无毒推进剂、发动机起动次数增加、发动机工作时间延长、发动机可靠性提高、发动机成本降低是上面级发动机技术未来发展的几个趋势。我国上面级发动机研制起步较晚，其技术水平与国外相比还有较大差距，建议国内上面级发动机研制在已有基础上，采取以下措施来缩小与国外上面级发动机的技术差距：①通过逐步改进来提高现役及在研上面级发动机性能；②通过研制低温上面级发动机实现发动机比冲性能质的提升；③不断积累上面级发动机变推力技术。以此通过上面级发动机技术的进步来支撑我国先进上面级的技术发展。