上面级液体火箭发动机发展概述
孙海雨1 单磊2 王凯2 张金容2
（1.航天推进技术研究院；2.西安航天动力研究所）
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，是一种新型空间运输工具，俗称“太空摆渡车”。有效载荷由基础级火箭发射进入准地球轨道或地球轨道等过渡轨道后，通过上面级的飞行能够进入预定工作轨道或预定空间位置。通过增加上面级，可显著提高运载火箭的运载能力，拓展运载火箭的任务适应能力。
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和核心，综观国内外上面级，大多采用液体火箭发动机作为上面级的主动力。上面级液体火箭发动机与基础级发动机相比，在工作性能、工作环境、起动次数、在轨时间等方面均有区别。一般而言，上面级对发动机有以下几方面要求：（1）真空比冲性能高。提升上面级发动机真空比冲和发动机性能，从而提高上面级运载能力。提高真空比冲可以从优化发动机方案、使用高能液体推进剂、提高推力室面积比、增加可延伸喷管等方面采取措施。（2）可多次起动。增加发动机起动次数，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。（3）工作时间延长。通过延长发动机工作时间来提高上面级多任务适应性。（4）结构轻质化。上面级在主动段结束后，会与有效载荷一起在轨道上运行，它的减重设计能有助于搭载有效载荷质量的增加，因此上面级发动机结构轻质化设计是一项十分重要的研究工作。（5）任务适应性高。不同飞行任务要求推进系统具有不同的特性，除要求不同的推力量级外，还要求不同的任务周期，上面级发动机应强调提高任务适应性，可通过上面级模块化设计来实现。
一、国外上面级发动机发展历程
国外上面级的研制起步较早。自20世纪五六十年代起，美国、苏联/俄罗斯及欧洲国家就开展了多种上面级发动机的研究，并持续进行改进。
（一）美国
美国的上面级发动机主要有采用常温自燃推进剂的“阿金纳”（Agena）发动机、采用液氧液氢推进剂的RL-10系列发动机等。
“阿金纳”发动机是美国贝尔航空航天公司于1959年开始研制的通用型上面级发动机，从1959年首次发射至1987年退役，“阿金纳”系列发动机成功应用于“雷神”“德尔他”“宇宙神”“大力神”运载火箭，共成功发射361次。“阿金纳”发动机早期型号LR-81-BA-9发动机采用高密度硝酸/UDMH推进剂，燃气发生器循环，火药起动器起动，能够进行3次起动工作。“阿金纳”D改进型上面级采用LR-81-BA-13（8247型）发动机，该发动机采用起动箱起动，具备空间15次起动能力。“阿金纳”D上面级贝尔-8247型发动机的总装结构和系统原理如图1所示。改进后的“阿金纳”D上面级于1962年投入使用，发射了KH-7、KH-8侦察卫星等，并将美国国家航空航天局（NASA）的月球探测器送至奔月轨道。“阿金纳”上面级最著名的应用是“双子星座”载人飞行计划中6艘飞船与目标飞行器（即“阿金纳”上面级）对接，以模拟月球任务所需的技术。图1 “阿金纳”D上面级贝尔-8247 型发动机的总装结构(a)和系统原理图(b)
RL-10液氧液氢发动机是美国普惠公司于1958—1963年研制的上面级发动机，最初用于“土星”1火箭和“半人马座”系列通用上面级。RL-10系列是典型的低温推进剂发动机，采用液氧液氢膨胀闭式循环，泵压式供应系统，能多次起动，双向摇摆。改进型RL-10B-2发动机的喷管延伸段可伸缩，喷管面积比增加至250。“航天发射系统”（SLS）火箭的上面级主发动机便是RL-10系列发动机的最新改进型RL-10C。
此外，普惠公司于2001年开始着手研制新一代RL-60低温上面级发动机，该发动机以RL-10系列发动机为基础进行研制，结构尺寸与RL-10发动机基本一致，但推力提高到RL-10B-2发动机的2.5倍，同时发动机的真空比冲也有所提高。RL-10B-2发动机和RL-60发动机基本参数对比见表1，发动机外形及系统原理如图2所示。表1 RL-10B-2发动机和RL-60发动机的主要参数图2 RL-10B-2发动机和RL-60发动机
（二）苏联/俄罗斯
苏联/俄罗斯较早研制的上面级发动机是S5.92发动机（见图3），用于“弗雷盖特”上面级，该发动机于1962年由化工机械设计局设计，采用燃气发生器循环的泵压式输送系统，推进剂为四氧化二氮/偏二甲肼常温可贮存推进剂，设计可重复使用20次，实际验证6次，工作时间900s。通过节流调节，该发动机可在2种模式下工作，真空推力分别为19.85kN和14.00kN，比冲分别为3243.8m/s和3096.8m/s。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。该发动机不仅可将有效载荷发射至圆形或椭圆形的近地轨道，而且能实现轨道高度400~25000km的各种圆轨道、椭圆轨道及甚高椭圆轨道，太阳同步轨道和极轨，地球同步转移轨道和地球静止轨道，甚至逃逸轨道等不同轨道的任务。该发动机目前已退役。20世纪50年代，苏联开始研制液氧煤油推进剂上面级液体火箭发动机，最具代表性的发动机为RD-58系列发动机，该系列发动机由能源火箭发射设计局研制，应用于“质子”“天顶”“安加拉”等多型火箭的上面级，具有多次（7次）起动、高性能和高可靠性等优势，成为俄罗斯至今运用最广、发射次数最多的上面级发动机。RD-58也因此发展了多种型号，包括RD-58M、RD-58S、RD-58Z、RD-58MF等。
RD-161发动机是俄罗斯于20世纪90年代最新研制的液氧煤油推进剂上面级发动机，采用富氧补燃循环、等离子点火、起动箱起动、预压泵后摇摆方式，具备多次起动能力（17次）、可长期在轨（设计在轨时间10天）。RD-161发动机为高性能发动机，其推力室压力高达12MPa，混合比高达2.6，这使得其真空比冲在使用合成煤油时可以达到360s，加上延伸段后比冲高达365s，接近液氧煤油发动机比冲的极限。
此外，俄罗斯还研制了液氧液氢膨胀循环RD-0146上面级发动机。目前，在俄罗斯上面级发动机领域中，常温推进剂和低温推进剂发动机处于共存的状态。苏联/俄罗斯主要上面级发动机如图5所示，主要参数见表2。（三）欧洲
欧洲国家的航天活动以商业发射为主，上面级发动机包括采用四氧化二氮/一甲基肼推进剂的挤压式供应系统“埃斯托斯”（Aestus）发动机、采用泵压式燃气发生器循环的RS-72发动机、采用液氧液氢膨胀循环的Vinci发动机，如图6和图7所示。图7 Vinci发动机
“埃斯托斯”发动机为“阿里安”5火箭EPS上面级及其改进型号EPSV上面级的主发动机，该发动机由阿斯特留姆（Astrium）公司位于德国奥托布伦的航天推进中心于1988年开始研制，发动机采用挤压式供应方案，燃烧室室压为1.1MPa，推进剂为四氧化二氮/一甲基肼，具备多次起动工作能力。其推力室采用同轴喷注器，身部采用再生冷却方案，燃烧室的燃烧效率超过98%，其优秀的推力室设计使得发动机能够实现3177m/s的真空比冲。
RS-72发动机由阿斯特留姆公司与美国波音-洛克达因公司合作研制，该发动机以“埃斯托斯”发动机的推力室及洛克达因公司研制的XLR-132发动机的涡轮泵、气体发生器、阀门及控制组件为基础开展研制，采用燃气发生器循环，推进剂为四氧化二氮/一甲基肼，具备不少于20次的多次起动能力。由于采用泵压供应，发动机燃烧室室压由“埃斯托斯”发动机的1.1MPa提高到6MPa，发动机的真空比冲也进一步提高到3315m/s，达到了常温推进剂发动机的最高水平。
Vinci发动机为“阿里安”5火箭ESC-B上面级的主发动机，该发动机于1998年由法国Snecma Moteurs公司研制。Vinci发动机采用液氧液氢推进剂，供应方案为膨胀循环，发动机推力为180kN，真空比冲4660m/s。Vinci发动机系统原理图如图8所示。欧洲上面级发动机的主要参数对比见表3。二、我国上面级发动机发展历程
我国的上面级技术起步较晚，20世纪90年代中期我国成功研制了固体上面级，“长征”二号C火箭采用带有分配器的三轴稳定上面级，其使用固体发动机，每次将2颗“铱”星送入近地轨道。在此基础上，我国研制了自旋稳定的固体上面级“长征”二号C-SMA、“长征”二号C-SMB，并成功发射了空间探测卫星。
图9 YF-50D发动机
2013年，为适应“远征”上面级多次变轨的任务需求，研制团队在YF-50D发动机基础上开展了多次起动上面级发动机研制工作，该发动机在YF-50D发动机基础上增加了起动箱式多次起动系统，使得发动机能够实现不少于20次的起动工作能力。2016年，该发动机应用于“远征”一号A上面级，随“长征”七号火箭完成了首飞，成功进行了9次起动，圆满完成了首飞任务。
为进一步提高上面级液体火箭发动机的性能，拓展发动机的功能，西安航天动力研究所针对上面级液体火箭发动机开展了一系列关键技术攻关工作，突破了上面级泵压式液体火箭发动机多次起动技术、性能精度控制技术、双模式工作技术等一系列新技术，为后续上面级功能的进一步拓展提供了技术基础。
此外，我国还研制了“远征”三号上面级，该上面级采用挤压式方案，真空推力为5kN，于2018年12月随“长征”二号Ｄ火箭完成首次飞行应用。同时，我国还开展了低温推进剂上面级发动机的研制工作，目前已完成了2吨级液氧煤油推进剂上面级发动机的关键技术攻关工作，填补了我国低温推进剂上面级发动机的空白。
三、上面级发动机发展趋势分析
（一）上面级发动机通用化、系列化
上面级发动机应具有较强的通用性，通过局部改进或增减某些功能，能够用于多种上面级，执行多种发射任务。以“阿金纳”上面级发动机为例，该系列发动机能够适用于“雷神”“德尔他”“宇宙神”“大力神”等多款运载火箭。在“阿金纳”发展过程中还改进出多个衍生型号，发动机性能不断提高，并增加新的功能，例如，LR-81-BA-13发动机就由原型机的3次起动改进为15次起动，大幅度拓展了发动机的应用范围。
另外，单一系列的上面级发动机虽然能够执行多种任务，但由于推力量级、推进剂种类等方面的限制，无法适用于所有的上面级任务。同时，随着液体动力技术的发展，上面级发动机需要不断更新换代。美国、俄罗斯、欧洲均发展了多个系列的上面级发动机，以适应各种任务的需求。除了“阿金纳”常温上面级发动机外，美国还发展了RL-10系列和RL-60系列低温上面级发动机，目前还在进一步开展下一代液氧甲烷上面级发动机的研发工作；俄罗斯发展了S5.92、S5.98系列常温上面级发动机，以及RD-58、RD-161、RD-0146等多个系列的低温上面级发动机；欧空局也研制了“埃斯托斯”、RS-72及Vinci等多个系列的上面级发动机。
（二）提高发动机比冲性能
对多级火箭而言，提高上面级发动机性能比提高基础级的性能更能明显提高有效载荷质量。提高发动机性能有以下几种方法：（1）使用高能推进剂/先进的推进剂组合；（2）采用闭式循环的方式提高发动机的燃烧室压力，减少副系统的比冲损失；（3）通过优化混合比、增大喷管面积、提高燃烧效率等不断提高现役发动机的性能。典型代表如“阿金纳”发动机将红烟硝酸/煤油推进剂组合更换为红烟硝酸/偏二甲肼，性能得到明显提升；RD-161液氧煤油发动机采用高压补燃循环技术，燃烧室压力为12MPa，面积比为370，真空比冲达到3579m/s；RL-10B-2发动机面积比由最初的40提高到250，真空比冲增加到4530m/s。
（三）推进剂品种多样化，发展低温无毒上面级
目前，美国、俄罗斯及欧洲均发展出多种推进剂组合的发动机。其中，采用常温推进剂的发动机主要用于传统型号的上面级，典型代表型号有美国的“阿金纳”系列发动机、俄罗斯的S5.92和S5.98发动机、欧洲的“埃斯托斯”发动机等，其中“阿金纳”系列发动机和S5.92发动机均已退出现役。常温推进剂上面级发动机具有可自燃、使用维护方便、能够长期在轨工作等优点，但推进剂具有较强的毒性，对环境存在污染，且比冲性能低于液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氢等低温推进剂。
近年来，特别是商业航天蓬勃发展以来，采用低温无毒推进剂已成为液体火箭发动机的发展趋势，美国、俄罗斯及欧洲均发展了多型的低温无毒推进剂上面级发动机，具有代表性的包括美国RL-10和RL-60系列液氧液氢发动机，俄罗斯的RD-58和RD-161液氧煤油发动机、RD-0146液氧液氢发动机，欧洲Vinci液氧液氢发动机等。此外，这些国家和地区还开展了液氧甲烷上面级发动机的攻关工作。相比常温推进剂，低温发动机具有比冲性能更高、绿色无毒等优势，但也存在使用维护复杂、长期在轨期间蒸发损失量大等问题。
从两种推进剂的特点来看，低温绿色推进剂是液体火箭发动机的发展方向，但常温推进剂上面级发动机也有其继续发展的空间。由于常温推进剂能够进行预包装，并可以通过凝胶化进行长期贮存和机动运输，在卫星快速发射、战时卫星补网等紧急任务下，常温推进剂上面级仍具有不可替代的地位。
（四）积极研究新型上面级推进技术
目前，各国现役的上面级均采用化学推进系统，而传统的化学推进系统经过几十年的发展，其性能已接近极限，发展空间不大。近年来，各航天国家均加大了非化学推进的研究力度，以便大幅提高上面级的性能。非化学推进主要分为两类：一类是直接加热类，包括太阳能推进、核热推进；另一类是电推进，包括电热式、电磁式、静电式等，其中一些已应用在发动机上。鉴于非化学推进系统具有很高的比冲性能、简单的结构等特点，可以预见在不久的将来会出现非化学推进的上面级，并在运载火箭中占有一席之地。
在美国SLS火箭上面级动力系统论证过程中，在传统的RL-10系列化学火箭发动机之外，项目团队还花大力气开展了核热推进系统（NTP）和太阳能电推进系统（SEP）两种新型上面级推进方案的论证工作。根据论证结果，在这3种动力方案中，地月距离空间运输采用太阳能电推进方案更具优势，而对于更远的行星际运输，核热推进系统则是更有效的动力方案。虽然鉴于技术成熟度、成本等原因，NASA最终选择了RL-10C发动机，但这个论证过程表明了新型推进系统在未来空间运输领域具有光明的前景。
四、国内外主要差距
目前，我国在上面级发动机领域与国外先进水平还存在以下几方面的差距。
（1）发动机的推力小。目前我国现役的“远征”系列上面级发动机推力量级均在5~6.5kN的水平，推力较小，与国外最大几百千牛的上面级发动机差距较大。
（2）发动机比冲性能较低。目前国外先进的低温上面级发动机的真空比冲最高可达4600m/s以上，在常温上面级发动机方面，欧洲RS-72发动机的真空比冲达到3315m/s，而“远征”系列上面级发动机最高真空比冲仅为3099m/s，与国外先进水平具有明显差距。
（3）低温上面级发动机有待发展。目前我国现役的“远征”系列上面级发动机均采用常温推进剂，虽然研制了液氧煤油上面级发动机，但距离工程应用还存在一定的差距；同时，在液氧液氢及液氧甲烷上面级发动机方面，我国尚属空白。
（4）发动机任务适应性有待拓展。在通用上面级发动机发展过程中，国外很多发动机形成了具备不同拓展功能模块的衍生型号，如多次起动、长期在轨等功能，这就使得一个系列的发动机能够适应不同模式的上面级发射任务；而目前我国“远征”系列上面级发动机型号单一，缺乏拓展功能，难以胜任多次变轨、多轨道撒布、长期在轨待命等新型任务。
五、我国上面级发动机发展思路
（一）提高发动机推力和比冲性能
提高上面级发动机的性能可以提升上面级的运载能力和多任务适应性。目前，我国在役的“远征”系列上面级发动机推力量级均较小，难以适应大质量载荷的发射需求，需要开展20~200kN量级的大推力上面级发动机研制工作，为未来大型火箭乃至重型火箭的上面级提供可靠动力。
在提高发动机比冲性能方面，可以采取2种途径：一方面，通过更换高能推进剂、优化混合比、提高燃烧效率等，提高现役发动机的比冲性能；另一方面，可开展新型高性能上面级发动机的研制，通过采用闭式循环、低温推进剂等方法实现高比冲性能。
（二）大力发展低温上面级发动机
目前，随着各国对环境保护的重视及商业航天的发展，低温无毒推进剂已成为液体火箭发动机发展的潮流，各航天国家均发展出多型低温推进剂上面级液体火箭发动机，并逐渐淘汰了常温发动机。目前，我国现役的“远征”系列上面级液体火箭发动机均采用常温推进剂，液氧煤油推进剂上面级液体火箭发动机还处于研发阶段。后续，我国需要在低温上面级液体火箭发动机领域加大研发力度，不仅要发展液氧煤油上面级发动机，还要发展液氧液氢发动机乃至液氧甲烷发动机，从而在商业发射领域占据有利地位。
（三）开展常温上面级快速发射技术研究
常温推进剂发动机与低温上面级发动机相比，在长期在轨能力和使用维护性上具有显著的优势。一方面，能够用于需要长期在轨工作的上面级任务，如执行轨道备份、深空探测、星际运输等；另一方面，常温推进剂上面级可在推进剂凝胶化后进行长期预包装贮存，能够用于某些关键领域卫星的紧急发射任务。后续应开展常温推进剂上面级发动机长期在轨技术、快速使用维护技术及预包装技术等关键技术攻关，为未来先进常温推进剂上面级发动机的发展奠定基础。
（四）上面级发动机系列化发展
未来上面级任务模式的多样性决定了通用上面级发动机应适应不同任务的要求，这就要求发动机能够灵活地配置不同的功能模块，形成系列化的功能体系。
在前期研制过程中，我国已经突破了上面级发动机多次起动、长期在轨、多模式工作、姿轨控一体化等多项关键技术，后续应将这些关键技术集成为不同的功能模块，并与通用型号发动机进行灵活的组合，形成具备不同功能的系列化产品，从而大幅度提高上面级发动机的任务适应性。
（五）发展采用电动泵增压系统方案的新型智能化控制上面级动力技术
目前，国内外的泵压式上面级发动机基本上采用传统的燃气发生器循环、膨胀循环或者补燃循环方案，发动机工作的稳定性、性能精度和可靠性有待进一步提升。近几年，随着电池、电机及集成电控技术的迅速发展，新型电动泵压式液体火箭发动机迎来了重大的发展机遇。电动泵压式发动机突破了传统的涡轮泵燃气增压的泵压式液体火箭发动机供应模式，利用高能蓄电池和电机驱动泵对推进剂进行增压，为变推力和智能化发动机提供了一种全新思路和有效途径。我国可以利用近些年国产电动汽车领域电池、电机和智能化控制方面的技术积累，通过跨领域合作实现我国电动泵压式、全电控智能化自主调节的新型上面级发动机的关键技术突破。（本文原刊载于《中国航天》2023年5期）
孙海雨
研究员，长期从事我国液体火箭发动机的型号研制开发与技术管理，先后负责“长征”系列一二级发动机、上面级发动机及多种预先研究型号发动机的研究工作。