民企星河动力突破火箭"心脏起搏器"技术

民营火箭企业星河动力(北京)空间科技有限公司(下称“星河动力”)“智神星”重复使用中型液体运载火箭研制又有新突破。7月5日至7月6日，该型火箭40吨级重复使用液氧/煤油发动机燃气发生器两天内完成7次点火试车，累计试车时间380秒，单次最长工作时间100秒。

星河动力燃气发生器点火试车

试验数据初步分析表明，燃气发生器启动和关机正常，试验数据与预调值吻合，出口火焰稳定;试验最大特征速度效率接近100%，出口燃气温度均匀性小于等于±28℃，无启动温度峰等。星河动力方面表示，各项指标均已达到国际先进水平。

星河动力联合创始人夏东坤对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示，该燃气发生器做到三个技术创新，其中，相比业内普遍使用的圆桶状燃气发生器，球锥型燃气发生器属国内首创。此次完成燃气发生器点火试车后，星河动力将在年底前进行涡轮泵试车、涡轮泵和燃气发生器联试以及推力室试车，春节前可进行液体发动机全系统试车。

星河动力(北京)空间科技有限公司成立于2018年2月，是从事低成本商业航天发射业务的民营航天公司。其核心产品及服务分两条路径，一是“谷神星”系列小型固体运载火箭发射服务，二是“智神星”系列中型液体运载火箭发射服务等。

SpaceX梅林(Merlin)发动机试车图

这家火箭民企的目标是造出中国的“猎鹰9号”，其自主研制的液氧/煤油发动机正是对标“猎鹰9号”的梅林发动机。星河动力小型固体火箭“谷神星一号”面向低轨商业小卫星市场，预计2020年3月首飞，中型液体运载火箭“智神星一号”预计2022年12月首飞。

如果涡轮泵是心脏，燃气发生器就是心脏起搏器

7月6日上午，在试验现场，监控室内的工作人员校对工况参数。监控画面上，地面持续喷水降温。随着一声鸣响，液体发动机燃气发生器再次点火，火焰“啪”一声从喷管中喷出，随后喷出的高温燃气弥漫在试车台所在的山谷中，而原本银色的排气管已经“烧”红。工作人员说，这台燃气发生器已经历第6次点火，试验过燃料和氧化剂不同混合比以及多种压力、气温下的工况。

星河动力球锥型燃气发生器

燃气发生器是火箭发动机中产生燃气的组件，通过产生高温高压的燃气驱动涡轮泵工作。要了解燃气发生器，还要从涡轮泵讲起。

火箭发动机中的涡轮泵是对氧化剂和燃料进行增压的一种联动装置，来自贮箱的氧化剂和燃料经涡轮泵增压后可供应到推力室进行燃烧。推力室是火箭发动机中完成推进剂能量转化和产生推力的组件，火箭的氧化剂和燃料在推力室中燃烧产生推力。

那么，如何使涡轮泵一直源源不断地吸氧化剂和燃料进入推力室燃烧?这就需要依靠燃气发生器的驱动。星河动力联合创始人夏东坤介绍，由涡轮泵吸入的氧化剂和燃料除大部分进入推力室燃烧，还有一小部分进入燃气发生器。燃气发生器燃烧后形成的高温高压燃气推动涡轮泵再吸推进剂，一小部分推进剂进入燃气发生器，大部分进入推力室，由此形成循环。形象地讲，如果涡轮泵是心脏，那么燃气发生器就是心脏起搏器。

要让整个火箭系统顺利工作，燃气发生器的职责就是要做到稳定可靠、温度均匀，为下游的涡轮叶片提供“舒适”环境。其温度范围不能超过涡轮叶片能承受的温度，也就是800摄氏度。

如果燃气发生器燃烧不稳定、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，无法实现多次使用目标，甚至烧掉涡轮泵。

满足燃气温度均匀性，国内首创球锥型燃气发生器

“燃气发生器要能变工况工作，压力、温度、混合比都要满足发动机要求。”星河动力液体发动机技术负责人表示，此次试验的推进剂流量范围3.2kg/s-7.8kg/s，混合比范围0.3-0.5，室压范围4兆帕-8兆帕，覆盖了发动机4：1深度变推力的全部工况范围。

“特别是要满足燃气温度均匀性的要求。”该负责人向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍，为满足燃气发生器均匀燃烧的要求，团队对该组件同时完成3个改进。他们首先优化了低温液氧和常温煤油撞击雾化参数，通过上百组互击式喷嘴和边区膜冷设计，形成高效的雾化混合效果。

氧化剂和燃料也被总称为推进剂，他们总是按一定的流量和混合比进入燃烧室雾化、混合和燃烧。雾化使液体分散成微小液滴，通过雾化的氧化剂和燃料待在一起时更均匀，燃烧也更缓和。采用三股互击的方式喷注氧化剂和燃料，比原先的二股互击式提高了混合的效率。

燃气发生器试车图

控制燃气温度均匀在燃气发生器中不是一件易事，因为这里面的温差实在不小。以星河动力液氧/煤油发动机的燃气发生器为例，液氧的温度是零下183摄氏度，煤油的温度是25摄氏度，燃烧后有些区域是800摄氏度，中心区域是1200摄氏度，局部火焰区域可达3500摄氏度。

为控制温度均匀，团队在燃气发生器身部表面覆盖一层膜燃料，待氧化剂和燃料燃烧充分以后将膜燃料混入燃烧区进行冷却，最终保证燃气发生器出口处温度为800摄氏度。如此一来，燃气进入涡轮泵也就不会损坏涡轮叶片。

膜燃料与燃烧区的高温燃气需强迫掺混才能实现均匀。为此团队设计了特殊结构的扰流环，使燃气发生器内部形成多个回流区，提升混合与燃烧效率。

传统的桶装燃气发生器

这样的设计在外形上就表现为球锥型多回流涡异形发生器。夏东坤对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示，相比自上世纪90年代以来沿用至今的圆桶状燃气发生器，星河动力团队设计的球锥型燃气发生器属国内首创。

上述液体发动机技术负责人表示，球锥型多回流涡异形发生器从球段到锥段以及燃气发生器的出口处共有多个回流涡，以此增强出口燃气温度均匀性。

关键词： 星河动力，心脏起搏器