試車380秒，航天民企星河動力突破火箭“心髒起搏器”技術

民營火箭企業星河動力（北京）空間科技有限公司（下稱“星河動力”）“智神星”重複使用中型液體運載火箭研製又有新突破。7月5日至7月6日，該型火箭40噸級重複使用液氧/煤油發動機燃氣發生器兩天內完成7次點火試車，累計試車時間380秒，單次最長工作時間100秒。

試驗數據初步分析表明，燃氣發生器啟動和關機正常，試驗數據與預調值吻合，出口火焰穩定；試驗最大特徵速度效率接近100%，出口燃氣溫度均勻性小於等於±28℃，無啟動溫度峰等。星河動力方面表示，各項指標均已達到國際先進水準。

星河動力聯合創始人夏東坤對澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者表示，該燃氣發生器做到三個技術創新，其中，相比業內普遍使用的圓桶狀燃氣發生器，球錐型燃氣發生器屬國內首創。此次完成燃氣發生器點火試車後，星河動力將在年底前進行渦輪泵試車、渦輪泵和燃氣發生器聯試以及推力室試車，春節前可進行液體發動機全系統試車。

星河動力（北京）空間科技有限公司成立於2018年2月，是從事低成本商業航天發射業務的民營航天公司。其核心產品及服務分兩條路徑，一是“谷神星”系列小型固體運載火箭發射服務，二是“智神星”系列中型液體運載火箭發射服務等。

這家火箭民企的目標是造出中國的“獵鷹9號”，其自主研製的液氧/煤油發動機正是對標“獵鷹9號”的梅林發動機。星河動力小型固體火箭“谷神星一號”面向低軌商業小衛星市場，預計2020年3月首飛，中型液體運載火箭“智神星一號”預計2022年12月首飛。

如果渦輪泵是心髒，燃氣發生器就是心髒起搏器

7月6日上午，在試驗現場，監控室內的工作人員校對工況參數。監控畫面上，地面持續噴水降溫。隨著一聲鳴響，液體發動機燃氣發生器再次點火，火焰“啪”一聲從噴管中噴出，隨後噴出的高溫燃氣彌漫在試車台所在的山谷中，而原本銀色的排氣管已經“燒”紅。工作人員說，這台燃氣發生器已經歷第6次點火，試驗過燃料和氧化劑不同混合比以及多種壓力、氣溫下的工況。

燃氣發生器是火箭發動機中產生燃氣的組件，通過產生高溫高壓的燃氣驅動渦輪泵工作。要了解燃氣發生器，還要從渦輪泵講起。

火箭發動機中的渦輪泵是對氧化劑和燃料進行增壓的一種聯動裝置，來自貯箱的氧化劑和燃料經渦輪泵增壓後可供應到推力室進行燃燒。推力室是火箭發動機中完成推進劑能量轉化和產生推力的組件，火箭的氧化劑和燃料在推力室中燃燒產生推力。

那麽，如何使渦輪泵一直源源不斷地吸氧化劑和燃料進入推力室燃燒？這就需要依靠燃氣發生器的驅動。星河動力聯合創始人夏東坤介紹，由渦輪泵吸入的氧化劑和燃料除大部分進入推力室燃燒，還有一小部分進入燃氣發生器。燃氣發生器燃燒後形成的高溫高壓燃氣推動渦輪泵再吸推進劑，一小部分推進劑進入燃氣發生器，大部分進入推力室，由此形成循環。形象地講，如果渦輪泵是心髒，那麽燃氣發生器就是心髒起搏器。

要讓整個火箭系統順利工作，燃氣發生器的職責就是要做到穩定可靠、溫度均勻，為下遊的渦輪葉片提供“舒適”環境。其溫度範圍不能超過渦輪葉片能承受的溫度，也就是800攝氏度。

如果燃氣發生器燃燒不穩定、燃氣溫度不均勻，渦輪葉片將工作在流速忽快忽慢、溫度忽高忽低的環境裡，壽命大打折扣，無法實現多次使用目標，甚至燒掉渦輪泵。

滿足燃氣溫度均勻性，國內首創球錐型燃氣發生器

“燃氣發生器要能變工況工作，壓力、溫度、混合比都要滿足發動機要求。”星河動力液體發動機技術負責人表示，此次試驗的推進劑流量範圍3.2kg/s-7.8kg/s，混合比範圍0.3-0.5，室壓範圍4兆帕-8兆帕，覆蓋了發動機4：1深度變推力的全部工況範圍。

“特別是要滿足燃氣溫度均勻性的要求。”該負責人向澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者介紹，為滿足燃氣發生器均勻燃燒的要求，團隊對該組件同時完成3個改進。他們首先優化了低溫液氧和常溫煤油撞擊霧化參數，通過上百組互擊式噴嘴和邊區膜冷設計，形成高效的霧化混合效果。

氧化劑和燃料也被總稱為推進劑，他們總是按一定的流量和混合比進入燃燒室霧化、混合和燃燒。霧化使液體分散成微小液滴，通過霧化的氧化劑和燃料待在一起時更均勻，燃燒也更緩和。採用三股互擊的方式噴注氧化劑和燃料，比原先的二股互擊式提高了混合的效率。

控制燃氣溫度均勻在燃氣發生器中不是一件易事，因為這裡面的溫差實在不小。以星河動力液氧/煤油發動機的燃氣發生器為例，液氧的溫度是零下183攝氏度，煤油的溫度是25攝氏度，燃燒後有些區域是800攝氏度，中心區域是1200攝氏度，局部火焰區域可達3500攝氏度。

為控制溫度均勻，團隊在燃氣發生器身部表面覆蓋一層膜燃料，待氧化劑和燃料燃燒充分以後將膜燃料混入燃燒區進行冷卻，最終保證燃氣發生器出口處溫度為800攝氏度。如此一來，燃氣進入渦輪泵也就不會損壞渦輪葉片。

膜燃料與燃燒區的高溫燃氣需強迫摻混才能實現均勻。為此團隊設計了特殊結構的擾流環，使燃氣發生器內部形成多個回流區，提升混合與燃燒效率。

這樣的設計在外形上就表現為球錐型多回流渦異形發生器。夏東坤對澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者表示，相比自上世紀90年代以來沿用至今的圓桶狀燃氣發生器，星河動力團隊設計的球錐型燃氣發生器屬國內首創。

上述液體發動機技術負責人表示，球錐型多回流渦異形發生器從球段到錐段以及燃氣發生器的出口處共有多個回流渦，以此增強出口燃氣溫度均勻性。