中国商业航天液氧甲烷火箭发动机研制进展（附3D打印典型应用）

| 3DScienceValley · 2023/04/24

以下文章来源于空天动力瞭望，作者黄浩然

根据泰伯智库，2023-2028年，商业航天产业将进入发展黄金期，预计2025年市场规模将达2.8万亿元。虽然起步晚于国外，但国内商业航天业发展势头迅猛。据新财富统计，目前国内的商业航天独角兽（估值达到67亿元及以上的未上市企业）共10家，总估值达到1038亿元。

3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术。商业航天进入发展快车道，也将极大的刺激3D打印，尤其是金属3D打印技术的应用发展。

根据市场研究咨询机构AMPower, 2022年增材制造市场发生显著变化，航天军工的需求强势崛起，其中商业航天发动机的3D打印需求是主要的驱动因素之一，导致包括对选区熔融金属3D打印、电弧熔丝增材制造技术、激光沉积送粉成形、复合材料增材制造技术的需求都发生了急剧的增长需求。根据AMPower 2023全球工业增材制造市场报告，2022年选区熔融金属3D打印的一个直观的发展趋势是超过600mm加工尺寸的大型设备需求上升，其中航空航天领域购买的金属3D打印设备单台均价在100万欧元以上，一方面满足大尺寸加工零件需求，一方面满足小批量零件的量产制造需求。

4月24日是第八个中国航天日。值此之际，3D科学谷将分享刊登在《空天动力瞭望》的《全球液氧甲烷火箭发动机研制进展系列—中国商业航天篇》一文，并在文后盘点中国商业航天企业在液氧甲烷火箭发动机研制中所开展的典型3D打印应用。

概述

液氧甲烷火箭发动机具有无毒环保、高比冲、低成本、易于重复使用等特点，并且有在外星原位生产的潜力，能够较好地满足商业化火箭发射的需求，因此液氧甲烷发动机技术近年来随着私人商业航天企业的蓬勃发展而突飞猛进，世界各个国家和地区涌现出一批成熟度各异的有代表性的型号。本文尝试对近年来液氧甲烷发动机研制进展进行一些梳理，以飨读者。

在液氧甲烷发动机领域，中国是世界上除美国外研究最热火朝天的国家，虽然因为历史原因而技术底子薄，研究起步晚，总体研制进度靠后，但进步速度却不落下风。近年来，受商业航天公司崛起的影响，国内也涌现了一批民营航天企业，其中有不少公司瞄准了商业火箭发射市场，开始开发液氧甲烷发动机。本系列第二篇文章介绍中国商业航天公司液氧甲烷发动机研制进展。

蓝箭航天——天鹊系列

北京蓝箭航天公司于2015年成立，2016年下半年开始着手研发液体火箭发动机，目前致力于研制以液氧甲烷发动机为动力的大中型火箭。

蓝箭航天的液氧甲烷发动机产品包括天鹊11（TQ-11）、天鹊12/12A（TQ-12/12A）和天鹊15A（TQ-15A）三型发动机，其中天鹊11可作为游机，天鹊12/12A是一级主发动机（12A是12的改进型），天鹊15A是二级主发动机。三型发动机参数如表 1所示，概念图如图 1所示。

表 1 天鹊系列发动机参数

图 1 天鹊发动机概念图（左：天鹊11, 中：天鹊12，右：天鹊15A）

图：蓝箭航天

天鹊11是蓝箭研制的8吨级四机组发动机游机，每机组推力为2吨，用于火箭推力矢量控制。2018年7月，蓝箭航天召开发布会，对外公布了“80+10”的火箭动力系统技术路线，其中80吨级液氧甲烷发动机(TQ-12)通用于火箭一级和二级，10吨级液氧甲烷发动机(TQ-11)通用于火箭二级游机和三级。

天鹊11采用燃气发生器循环、同轴式涡轮泵，1台涡轮泵同时供应4台个推力室，与80吨的主发动机共用阀门。天鹊11采用了泵后摇摆技术，摇摆角度达±25°，实现火箭的俯仰、偏航和滚转控制，还采用自生增压技术，可直接为推进剂贮箱提供增压介质。在生产上，广泛采用3D打印技术，缩短了组件制造周期。在研制中，天鹊11国内首次将流体动压密封技术应用于液体火箭发动机工程研制，该技术具有低泄漏、零磨损、适应多次起停的特点，能提高发动机的可靠性；此外，还突破高精度低温混合比调节器技术，调节器由电机、控制仪控制器驱动，实现低温发动机混合比无级调节，调节范围达±10%，可减少推进剂剩余量，提高火箭运载能力。

2019年1月，天鹊11完成燃气发生器热试车，7月完成650s推力室长程试车，9月完成半系统试车，11月20日完成总装装配，并在11月30日完成全系统试车，成为当时国内唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机。根据报道，在该次试车中发动机起动关机平稳迅速，实测结果与计算值良好吻合，四台推力室工作一致，各组件振动脉动幅值低，试后产品完好，初步考核了发动机技术方案可行性、起动关机时序合理性、多项创新技术、水平状态游机试车工位适应性。2020年3月，天鹊11在蓝箭湖州试验基地进行了10s、100s、750s（覆盖全部任务时间）和1500s热试车，确认了发动机质量和工艺状态稳定。2020年7月，朱雀二号火箭完成控制系统和二级游机的匹配性验证试验，天鹊11在此次试验中单次工作时间长达3000s，单台累计工作时间4500s，超过额定工作时间5倍，型号累计工作时间超过10000s，完成了±25°摇摆试车。2021年3月，天鹊11又完成一轮试车，单次点火时间4000s，单台累计工作时间超过10000s，型号累计工作时间超过30000s，还完成模拟飞行过程考核，90%~110%连续变推力考核，低温推进剂自生增压试验和摇摆试验等项目。目前从公开报道看来，天鹊11的状态已经比较稳定，已经具备使用条件，后续也顺利参加朱雀二号火箭的联试。

图 2 2019年11月天鹊11全系统热试车
图：蓝箭航天

天鹊12是80吨级发动机主机，是蓝箭航天所有产品中的重头戏。天鹊12的研制比天鹊11更加循序渐进一些，首先进行了缩比验证机的研制，然后再进行全尺寸发动机研制。2017年，蓝箭开始研发10吨级的缩比推力室原型机，同年9月完成推力室设计，2017年底到2018年初完成了燃气发生器点火试验，2018年2月开始推力室试车，验证了全尺寸发动机所涉及的一系列技术。

2018年7月的发布会上，蓝箭宣布完成了天鹊12早期版本的设计工作，随后几个月内，发动机各组件密集交付，并在2019年3月完成装配。同月月底，天鹊12完成5秒的半系统试车，测试了除推力室以外的涡轮泵、燃气发生器、各种阀门、点火和起动装置及总装管路。2019年5月，天鹊12包括推力室在内的整机完成装配，一周后，天鹊12该型号首次完成全系统试车，在接下来的又一周时间里连续进行了四次试车，并在5月17日进行了20s的试车，这标志着天鹊12所需的全部技术基本完成突破。随后，2019年7月，天鹊12又完成了100%推力试车，总试车时间100s，验证了多项发动机技术和并对百吨级发动机试车台进行了考核，报道发动机实测推力高于设计值，部分关键参数达到飞行要求；2019年10月26日，天鹊12完成了变推力长程试车，总试车时间200s，验证了推力调节技术和低温调节器技术。随后，2020年5月，天鹊12完成三次摇摆试车点火试验，与朱雀二号火箭的控制系统进行匹配，验证了大推力主发动机泵后摇摆技术。11月，天鹊12与天鹊11组合成为火箭二级发动机组并完成联合试车，两型发动机共用控制和吹除模块，考核了二级发动机系统和总装结构方案可行性及主机游机工作协调性。2021年1月，天鹊12连续完成五次400s的长程可靠性试车考核，覆盖13倍飞行时间，并进行了推力适应性、混合比适应性、极限入口温度压力试验，验证发动机可靠性和稳定性。2月，四台天鹊12构成了的火箭一级动力系统组装完成，这标志着天鹊12该型号已基本定型。根据蓝箭航天发布的消息，截至2022年7月底，已经有37台天鹊12被生产出来发动机出厂，热试车时间总计超过20000s，单台发动机累计启动11次，累计点火时间3357s。

天鹊12A是天鹊12发动机的改进型，于2021年2月天鹊12完成研制后立项，充分继承了天鹊12前面型号的技术，通过设计优化提高了9%的推力和4s的比冲，并且减轻了100kg的重量。TQ-天鹊12A在2022年8月进行了二次起动考核试车，在工作400s后关机，再然后二次起动工作10s，发动机起动关机正常，工作平稳。

天鹊15A可以看做是天鹊12的真空版改进型，与后者共用涡轮泵、阀门、燃气发生器等关键部件，取消了游机，节省了400kg重量，同时增大了喷管面积比，同时还具备±4°双向摇摆功能，可点火三次，可具备60%~110%深度变推能力，涡轮排气引入喷管延伸段，提高比冲同时减小了侧向力。2022年9月25日，天鹊15A完成装配，10月19日在湖州基地完成首次全系统试车，试验时长20s，该次试车带伺服机构，但不带大未使用喷管延伸段，考核了改进方案可行性和时序正确性。

图 3 2019年5月17日，天鹊12首次完成全系统热试车
图：蓝箭航天

2022年11月，蓝箭航天自主研制的朱雀二号运载火箭（遥二）主要部组件齐套，在嘉兴蓝箭航天中心开始总装工作。该火箭为两级运载火箭，一级采用4台天鹊12系列80吨级液氧甲烷发动机并联，二级采用单台天鹊12系列发动机和一台10吨级天鹊11发动机游机。12月14日16时30分，蓝箭航天在酒泉卫星发射中心执行朱雀二号遥二首次飞行试验，火箭一二级主机工作正常，但二级的天鹊11游机工作异常，最终发射任务未能成功。尽管朱雀二号这次不幸未能成为全球首款成功入轨的液氧甲烷火箭，但据报道，火箭仍飞越了卡门线（海拔100km），可以说在液氧甲烷发动机的实战验证中走得最靠前了。

星际荣耀—焦点系列

北京星际荣耀公司于2016年10月成立，致力于研发商业运载火箭并提供系统性发射解决方案，为客户提供系统、高效、优质、具性价比的发射服务，提升人类自由进出空间的能力解决方案。星际荣耀的液氧甲烷发动机产品包括焦点1号和焦点2号，其中焦点1号（JD-1）是15吨级推力发动机，预计将配备到双曲线二号火箭上，其一子级采用9台焦点1号发动机，二子级采用一台。焦点2号（JD-2）是100吨级推力主发动机，将被用于未来的双曲线三号运载火箭上，一子级配备9台焦点2号发动机，二级配备一台焦点2号真空版。两型发动机参数如表 2所示，概念图如图 4所示。

表 2 焦点系列发动机参数

图4 焦点发动机概念图（左：焦点1号，右：焦点2号）
图：星际荣耀

尽管星际荣耀公司成立时间比较早，但前期主要集中精力在固体火箭的研制上，在液氧甲烷发动机上的研制开始较晚。2018年6月1日，星际荣耀发布新闻称焦点1号燃气发生器点火试验成功，2019年3月完成涡轮泵和副系统100s联试，4月完成推力室点火试验，7月完成200s的全系统长程试车，完成结束了模样阶段研制。同年12月25日，焦点1号完成500s全系统试车，说明其可靠性达到一定水平。2020年5月19日到6月6日，同一台发动机又先后完成四次试车，最长点火时间达500s，累计点火时间超过了1500s，验证了二次起动、自生增压系统、分瓣式浮动环密封、气瓶起动等技术，7月8日到17日，焦点1号又完成了两次200s的变推力长程试车，验证了连续流量调节机构的可靠性，累计试车时间达到2107.5s，至此该型号基本完成阶段性研制目标。

2020年11月11日，焦点1号完成500s的二次起动摇摆试车，2021年4月1日，完成500s模拟飞行变推力试车，发动机在50%-100%推力范围内连续工作，试验证明发动机具备执行垂直起降任务的条件，4月26日，发动机又完成与箭上控制系统的联合热试车。

图5 2019年12月25日，焦点1号完成500s长程试车
图源：星际荣耀

至于焦点2号，目前与其相关的消息较少，星际荣耀官方只说透露信息仅包括它的推力为百吨量级和比冲大于>300s，前面表2中所列具体参数来自国外爱好者整理，没有缺少更多资料佐证。2022年9月2日，星际荣耀宣布焦点2号的火炬点火器和针栓喷注器燃气发生器联合点火试验取得成功。后续该型号应该可能会有更多进展，但目前未有公开消息表明星际荣耀拥有自己的试验台，焦点系列的试验可能是在租用的试验台完成的，而焦点2号的推力较大，需要更大更好的推进剂保障设施，其研制速度可能会严重受限于目前租用试验台的试验能力。

九州云箭——凌云、龙云

九州云箭公司（北京）空间科技有限公司成立于2017年10月，是一家专业研制液氧甲烷发动机的民营航天企业。与蓝箭航天和星际荣耀不同的是，该公司九州云箭专注于制造液氧甲烷发动机而不涉及运载火箭。

九州云箭的主要产品包括10吨级的凌云和70吨级的龙云两型发动机，小推力的凌云通过多级并联可满足小型液体火箭的发射、回收及复用需求，也可以用于上面级，而大推力的龙云可以作为主动力使用。两型发动机参数如表 3所示，概念图如图 6所示。

表3 龙云、凌云发动机参数

图6 凌云（左）、龙云（右）发动机概念图
图：九州云箭

凌云发动机采用柔性喷注单元设计，能够快速更换喷注单元，便于试验和方案迭代，并且广泛采用激光焊接激光焊和电子束焊，通过大量采用3D打印技术，减少了90%的焊缝，还利用仿真手段提升设计可靠性，避免采用昂贵的高温合金材料，节约成本。发动机涡轮泵可采用气瓶起动，泵端温度约-190℃，涡轮端燃气温度约700℃，功率大于1MW，重量小于31kg。发动机采用主、副双路火矩式电点火启动，避免了传统的火药柱启动方式，满足火箭回收时多次启动需求地的同时实现了发动机整机无火工品，也提高了发动机贮存、运输的便捷性。此外，发动机采用泵前摇摆方案，维护采用全氮气，替代传统氦气，降低使用维护成本。

凌云发动机开始开发的时间不得而知，2018年4月24日，九州云箭宣布凌云发动机火炬点火系统已进行了数十次点火试验，7月14日，凌云发动机副系统通过200s长程试车考核，验证了燃气发生器、火炬点火系统和低温阀门的工作可靠性，11月完成推力调节系统的半实物仿真试验，又在12月完成全尺寸推力室短程热试车，验证了推力室的流动传热特性和多工况下的工作可靠性。

2019年1月，凌云发动机涡轮泵完成低温介质考核试验，集齐了凌云发动机所需的全部主要组件齐套，5月完成总装总测，7月完成多次整机20%~30%低推力热试车试验，验证了燃烧装置和涡轮泵的适应性，以及低箱压状态下涡轮泵启动全程汽蚀状态工作的适应性。随后，九州云箭公司可能是意识到租用试车档期不稳定的其他单位试车台无法满足密集的发动机试验需求，九州云箭开始在安徽蚌埠建设自己的试验台，该试验台拥有同规模双工位布局，能够满足密集的试验需求。2019年剩下的时间和2020年全年里，九州云箭主要精力集中在新试验台的建设上，凌云发动机研制暂停，没有报道更多的试验。直到2021年3月和4月，凌云发动机在九州云箭蚌埠的新试车台上开始了密集试验，先后进行了多次起动的40%推力试验和38%~100%大范围连续变推力试验，首次验证了全推力状态的凌云发动机，并大幅提高了试验时长。这是凌云发动机首次完成全状态试验。同年8月，凌云完成11吨推力500s的长程试车，推力调节范围达30%~110%，累计数十次启动，试车时间数千秒，11月，又完成两轮摇摆试车。

2022年，凌云发动机开始开发真空版本，真空版本的凌云发动机是在原发动机基础上提高喷管面积比实现的。到11月，真空版凌云发动机已经完成可靠性热试车考核，实测真空推力12.5吨，比冲341s，三台产品累计完成热试车8000s，其中单台累计热试车时长最高达到5000s，单台最多启动次数30次，产品可靠性得到了充分验证。

图7 凌云发动机完成38%~100%连续变推试验
图：九州云箭

龙云发动机的开发与凌云几乎同步进行，该型号于2019年2月立项，在2019年9月的北京国际航展上正式发布。该发动机继承了部分凌云的组件，采用与凌云相同的火炬点火系统，推力调节技术也是通用的。

2019年6月，龙云发动机完成燃气发生器热试车考核。随后与凌云一样在暂停一年多后也开始了密集的试验。它于2021年4月完成了半系统试车考核，5月分别完成整机热试车和三次启动热试车，6月完成50%推力的变推力热试车和长程热试车，进一步验证了发动机可靠性。2022年3月，龙云发动机完成额定工况长程热试车考核，额定推力达到677kN，比冲达到291s，7月完成系列可靠性热试车。

目前看来，九州云箭的双工位试车台中一个工位以凌云发动机可靠性积累和真空版研制为主，另一个则为龙云发动机推力提升及可靠性测试专用工位。两型发动机研制进度正在稳步推进。

图8 龙云发动机完成系列可靠性热试车
图：九州云箭

宇航推进——沧龙系列

北京宇航推进科技有限公司成立于2018年8月，目标是成为全品种商业航天火箭发动机公司，正在开发沧龙一号、沧龙二号、沧龙三号液氧甲烷发动机，其中沧龙一号用于火箭一子级，能够拓展为真空版，沧龙二号用于二子级，沧龙三号用于上面级，三型发动机参数如表 4所示，概念图如图 9所示。

表4 沧龙系列参数

图9 苍龙系列发动机概念图（左：沧龙一号，中：沧龙二号，右：沧龙三号）
图：宇航推进

据报道，2019年4月18日，沧龙一号的燃气发生器和火炬式电点火器进行联合点火试车，该次试车为燃气发生器全工况点火，按照预定程序实现了点火起动、稳定工作和关机，各项性能指标满足设计要求，验证了燃气发生器设计方案和火炬式电点火器的工作可靠性。同年11月，进行了气氧甲烷火炬点火系统试验，点火启动次数达33次，验证了点火系统在30%~100%流量范围内的工作可靠性，获得了火炬点火器工作参数和流量调节特性，此外，同一时间该公司还交付了沧龙一号推力室全尺寸样机并完成了推力室点火试验。紧接着，11月底，沧龙二号推力室交付，2020年初，沧龙一号涡轮泵组件交付。

图10 沧龙一号燃气发生器和火炬点火器联合点火试车
图：宇航推进

图11 沧龙一号发动机推力室试车
图：宇航推进

翎客航天——风暴系列

北京翎客航天成立于2014年，是中国注册时间较早的私人航天企业。然而，从公开报道来看，该公司早期内部构架不明确，因此未在火箭发射和发动机开发上倾注足够精力，直到2019年5月，翎客航天管理层调整，更换了CEO，该公司之后才开始认真进行技术开发工作。

转换更换管理层后，翎客航天首先开始了火箭垂直起降技术验证工作，两年后的2021年4月，该公司正式立项风暴-1液体火箭发动机。根据资料，该发动机为电动泵压式发动机，采用液氧甲烷推进剂，海平面推力10kN，可多次启动，拥有30%~100%变推力能力。同年11月，翎客航天在江苏某地搭建了一个简陋简单的试验装置，完成风暴-1的全系统试车，两天内完成3次不同推力工况下点火，验证了电动泵压式发动机系统设计技术、高速高压低温动密封技术、泵压发动机启动及关机时序、新型气液喷注及燃烧稳定性技术等多项关键技术。

图12 风暴-1发动机点火试验照片
图：翎客航天

2022年1月25日，翎客航天RLV-T6火箭完成全箭冷试。该火箭据称搭载了风暴-1发动机，试验中液氧泵和甲烷泵采用液氮介质，均正常工作。2022年9月28日，翎客航天在位于江阴的动力试验基地02号工位完成风暴-5A液氧甲烷发动机全系统试车，据称发动机工作稳定，达到设计预期，试验圆满成功。

图13 风暴-5A发动机全系统试车
图：翎客航天

总结

总体来看，中国商业航天公司液氧甲烷发动机研制格局与美国显著不用，呈现“梯队分布”局面：位于第一梯队研制进度靠前的蓝箭航天、九州云箭和星际荣耀三家单位已经进行了比较严肃全面的系列整机试车，其中蓝箭航天的发动机已接近具备与搭载到火箭联试上进行飞行试验，但由于可靠性问题未能完全成功。另两家则已经积累了相当的条件试车时长；第二梯队研制进度靠后的宇航推进和翎客航天目前只完成了部分部件的研制，距离整机试车还有还有一段距离；最后梯队的是其他一些进行液氧甲烷发动机开发的商业航天公司，往往只有网站的宣传页。

文章来源：空天动力瞭望

作者：黄浩然

3D打印应用

根据3D科学谷，3D打印在航天动力装备的技术发展逻辑概括为两点：爆发力强、安全性高。提升爆发力方面，3D打印释放了设计与制造的自由度，例如通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；提升安全性方面，例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。

正如《3D打印与工业制造》一书中谈到的，3D打印技术已成为航天制造企业抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。全球商业航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。接下来，让我们进一步了解上文中谈到的液氧甲烷火箭发动机制造商，在其研制工作中开展的典型3D打印应用。

l 蓝箭航天-复杂结构一次性成型

2022年10月，蓝箭航天辅助动力系统云鹊（YQ-10）完成首台装配及测试工作，经验收合格交付整机热试车。YQ-10配套于朱雀二号液氧甲烷运载火箭第二批次产品。

YQ-10发动机由蓝箭航天自主研制，主要包括配套的推力室、阀门、贮箱、气瓶、电缆等15种组合件，并自研多款地面保障设备如电性能测试仪、充放气设备等。推力室头部采用3D打印技术方案，隔热框、毛细管以及喷注器等结构一次性成型，参数选取更加灵活，生产流程大幅简化。

更早期的时候，例如，蓝箭航天在2018年8月完成了TQ-12液氧甲烷发动机主阀壳体的制造，该发动机主阀采用增材制造-3D打印技术，新构型技术解决了低温动密封问题，增强了阀门可靠性，同时能够缩短研制周期，有效降低发动机生产成本。

l 星际荣耀-降低成本和加工周期、提高零件性能

2023年3月1日-2日，北京星际荣耀空间科技股份有限公司百吨级液氧甲烷火箭发动机“JD-2”顺利完成两次真实介质下的半系统联合试验。金属增材制造技术全套解决方案提供商铂力特协助研制团队为“JD-2”液体发动机打印了多个管路类和涡轮泵类零件。

航空航天零部件的生产周期长、成本高，制造难度大，而金属3D打印技术在降低成本和加工周期、提高零件性能等方面颇具优势。例如：发动机管路类零件多为异形薄壁结构，成形过程易变形，传统方法生产难度大，周期长。铂力特产品团队根据零件成形难点，开发了定制化的工艺方案。利用激光选区熔化金属3D打印技术一体成形，有效提高了零件的质量精度，同时可以实现零件的快速制造，帮助用户加快技术迭代和方案验证时间，提高了研制效率。

l 九州云箭-提高结构可靠性

2022年，由九州云箭出品的龙云液氧甲烷发动机完成了系列可靠性热试车考核。在该项目中，铂力特为九州云箭打印了旋转机械零部件、燃烧装置零部件以及发动机管路等零部件。

推力室实物照片
© 九州云箭

早在2018年12月，九州云箭成功进行了“凌云”10吨变推力液氧甲烷火箭发动机全尺寸推力室短程热试车。参加这次试验的推力室是九州云箭自主研发的可重复使用10吨液氧甲烷发动机的关键组合件之一。九州云箭广泛采用激光焊、电子束焊等自动化焊接工艺，有利于提升焊缝强度和工艺一致性，并通过3D打印、精密数控加工等手段，使整台推力室焊缝数量相较传统方案减少90%，大幅提升了结构可靠性。

l 宇航推进-缩短生产周期、降低产品成本

2019年，北京宇航推进科技有限公司自主研制的沧龙一号液体火箭发动机（CL-1）全尺寸推力室成品完成交付。2020年初，宇航推进自主研制的沧龙一号液体火箭发动机（CL-1）全尺寸涡轮泵零组件交付齐套，进入最后总体装配工序。