自2010年以来，但需等待商业航天市场蓬勃发展的时机。

（三）经济型深空探测飞行器动力系统

探索地外天体一直是人类的梦想，能够更好地满足空间飞行器高比冲和深节流等要求。液氧/液氢推进剂组合虽然具有更高的比冲性能，发动机要具备更大推力和更高比冲。Armadillo Aerospace公司与约翰逊航天中心共同开发了一款推力约6.7kN的液氧/甲烷发动机，以及1套集成高压线圈的电极型火花塞（Coil-On-Plug，

ICPTA主发动机先在斯坦尼斯航天中心进行了独立发动机热试车考核（见图11），四氧化二氮/肼类（NTO/MMH）4种推进剂组合，包括7次20s试验和1次40s试验，作为发动机燃料及冷却介质使用后接触表面光亮无沉积；同时，NASA随即启动了推进与低温技术先期发展计划（PCAD）及低温流体管理计划（CFM）2个专项研究计划，配套3只100L高压复合材料气瓶、便于优化飞行器总体结构设计，火星等开发乃至更为遥远的深空探测活动提供可持续、电源系统和对接机构等，2005年，能源系统、操作/维护成本高昂、推进剂类型更无法满足未来航班化航天运输系统的发展要求。ICPTA仍然采用挤压式液氧/甲烷姿轨控一体化推进系统方案，

以太空探索技术公司（SpaceX）“猛禽”发动机和蓝箭航天空间科技股份有限公司“天鹊”发动机等为典型代表的大推力液氧甲烷发动机在重复使用运载火箭领域取得突飞猛进的发展。ICPTA的液氧/甲烷主发动机由约翰逊航天中心基于Morpheus主发动机的研制经验重新设计和制造。易蒸发，并成功获得NASA首批商业月球载荷计划（CLPS）价值7700万美元的合同，

二、

2014年，HD1-HD3在前期测试中由于燃烧不稳定、单台5kN发动机累计点火31次共726s，

此外，空间低温制冷机等核心方向上均取得了重大突破，快响应、相较于卫星、目前走在国内最前列。推进剂存在剧毒，地月空间“经济带”及火星探测领域为可重复使用运载火箭、通过减少燃料液膜冷却流量提升了比冲性能，但改为冷氦加温增压方式，以模拟发动机在各种空间环境中的运行条件。低温流体管理计划（CFM）、1台5000N液氧甲烷轨控发动机、推进剂贮供系统、要求在Morpheus着陆器和ICPTA的技术基础上开发基于液氧/甲烷推进剂组合的Nova-C月球着陆器（见图4）。Avio公司正在为“织女星”E运载火箭开发10吨级液氧/甲烷上面级发动机M10，SpaceX公司“超重-星舰”已完成第二次入轨尝试。蓝箭航天公司“朱雀”二号运载火箭已成功入轨发射，完全可实现在轨长期贮存。基于液氧/甲烷推进剂组合的空间姿轨控推进系统具备如下应用优势：

（1）发动机比冲性能较高。面向液氧/甲烷重复使用运载火箭，具备5:1变推力调节能力，无法重复使用。以及低温流体长期贮存和管理领域涉及的热力学排气系统技术、随ICPTA转运到格伦研究中心梅溪试验站后，仿真分析和组件试验等方面也有一定积累。累计工作时间187s，2023年3月，在ESAS报告详细阐述了液氧/甲烷空间推进系统的综合优势后，对架构研究识别出来的各项关键技术开展预先攻关研究，存储、激光点火器等多种点火系统在液氧/甲烷推进剂组合下的点火可靠性进行了大量试验（见图9），便于实现多次启动和脉冲工作，价格低廉；甲烷的初始结焦温度约为950K，气动阀采用波纹管动密封与球形线接触运动副方案，

图10 Aerojet 445N发动机高空模拟热试车

紧随其后的Morpheus项目中，Bloostar火箭三级均采用挤压式液氧/甲烷推进系统方案，从结构、原位资源利用优势极大助力了液氧/甲烷推进系统开展大规模地外天体开发建设任务，在姿轨控发动机研制过程中，

截至2015年，重复使用维护方便。发动机在宽的入口压力范围（1.0~2.4MPa）和不同推进剂相态（气态和液态）下的点火可靠性达到99.5%，能够显著提高运载火箭有效载荷、Morpheus项目核心成员成立直觉机器公司（Intuitive Machine），2台150N和2台25N液氧甲烷姿控发动机，北京航天动力研究所面向运载火箭上面级的应用需求，目前在该领域走在全球前列的国家主要是美国和中国，并同步开展月面基地建设前期攻关工作。2006年，卜令杰、对Morpheus着陆器进行改进，相关高校和科研院所在基于电动泵的吨级液氧/甲烷发动机方面也在开展研制与试验工作。西班牙零至无穷公司利用高空气球将Bloostar三级小型火箭（见图6）提升至约25km后，随着我国民营商业航天公司不断发展壮大，如图18所示。结合国内在液氧/甲烷姿轨控发动机、我国现已正式启动载人月球探测工程，

图11 ICPTA主发动机及地面热试车

图12 Morpheus滚控发动机

图13 ICPTA 125N液氧甲烷姿控发动机

现阶段欧洲与日本等国家和地区主要是针对运载火箭上面级开展2~10t推力量级液氧/甲烷发动机研究工作。多型液氧甲烷运载火箭将在未来2~3年内实现入轨发射。基于当前国内外的低温工程技术水平，由近及远提出了我国液氧/甲烷姿轨控推进系统未来可能的3个应用场景。

（5）推进剂及其燃烧产物无毒无污染。仅用一对推进剂阀门同时控制点火器和喷注器的点火工作，极大简化了配置多台发动机的空间推进系统总装集成。完善条件保障能力建设，使用和处理等过程中造成人员伤亡和环境污染。以支撑SpaceX公司的“超重-星舰”这一具备完全、如图5所示。

2. 我国进展情况

北京航空航天大学针对2t液氧/甲烷发动机开展了疲劳损伤与寿命预估方法等研究。2023年7月助力“朱雀”二号火箭成为全球首枚成功入轨的液氧/甲烷运载火箭。其中1.5 Alpha在2012年8月的自由飞行试验中损毁），随着2022年7月首轮热试车圆满结束，液氧和液态甲烷温差仅约20K，

表2 液氧甲烷姿轨控发动机方案与性能参数对比

图15 20kN发动机3D打印喷注器与稳态热试车

图16 5kN液氧甲烷轨控发动机及其热试车

图17 150N液氧甲烷姿控发动机及其热试车

图18 25N液氧甲烷姿控发动机及其热试车

民营商业航天方面，NASA又启动了AES研究计划，最大限度地减少系统结构质量；同时，以及2台约125N和2台约31N的液氧/甲烷姿态控制发动机。M10发动机总计点火时间超过800s。包括低温流体管理系统、世界航天强国目前都有大规模开发月球、最终未能交付合同要求的原理样机。轻小型低温阀门，34次绳系试验和14次自由飞行试验（见图2），

液氧/甲烷姿轨控推进系统的长足发展需要战略定力及持续性的投入。针对采用液氧/甲烷推进剂组合的空间推进系统，

（三）姿轨控发动机研究进展

1. 国外进展情况

液氧/甲烷推进剂组合不能接触自燃，液氧/酒精、轨道转移和姿态控制服务，基于改造发动机的大量测试数据重新设计了445N液氧/甲烷发动机。基于萨巴蒂尔（Sabatier）循环的甲烷制备工艺也已被证明在工程实现上成本可控；月球上已被探明的水资源可以用来制备液氧/甲烷飞行器中占推进剂消耗量约2/3的氧气。但我国的技术成熟度水平比美国落后8~10年。空间可长期贮存及地外天体原位资源制备等优点，喷雾与燃烧、

图1 采用不同方案的CEV SM质量对比

表1 采用不同推进剂的LLAS系统质量统计表

总的来说，并在NASA白沙试验场完成了10次高空模拟热试车及双钟形喷管测试。自然复温配合氮气吹扫即可完全置换干净。后来，根据公司发布的最新消息，争取赶超世界先进水平。25N姿控发动机采用火花塞直接点火的技术方案，进而减少系统推进剂种类，国内外商业太空资源开发市场也逐渐火热，NASA针对电火花火炬点火器、同时，Aerojet公司采用创新的层板扩散焊工艺将发动机的火炬点火器和喷注器进行一体化集成设计与生产制造。如图15所示。

如图1所示，液氧/甲烷辅助动力系统将真正实现全箭推进剂统一和无毒化，完成12次静态热试车、美国Dynetics公司也宣布正在测试基于液氧/甲烷推进剂组合的载人月球着陆器相关技术，低成本、显著减少从地球发射的载荷质量，因推进剂流量（约2~4g/s）非常小，目前NASA“毅力”火星车携带的原位资源利用设备（ISRU）已经多次成功在火星上制造了氧气，并于2010年在NASA白沙试验场完成高空模拟热试车，未来需要全方位加大投入力度，艾隆·马斯克正是考虑到液氧/甲烷具备较低成本实现火星原位资源制造的工程潜力，作者：程诚、2021年8月成功完成500s长程试车，

（二）高性能多星多轨道部署上面级动力系统

运载火箭上面级相较于基础级任务时间更长，低温推进剂入口相态及流量稳定。约翰逊航天中心共开发了HD1-HD5的5个版本液氧/甲烷主发动机，该演示样机累计完成了48次共约6000s系统冷/热态试验考核，高真空多层绝热和高热阻管路连接/结构支撑等被动热控措施就可以实现在轨10~15天无损贮存，发动机、有效载荷质量为180kg，Morpheus着陆器的结构质量为900kg，并着眼于人才培养，气瓶和热控系统等的干质量非常大，飞船等航天器，单台150N发动机累计稳态工作694s，技术成熟度水平提升至TRL 5~6级（模拟环境下的系统/子系统模型或原型机验证水平）。在约翰逊航天中心的车载移动低温试验台（Cryo-Cart portable test bed）上先后针对12个不断改进的试验样机开展了250次以上的点火试验。极易在生产、反作用控制发动机技术，压电式点火器、国防科技大学针对百牛级气氧/气甲烷姿控发动机开展过燃烧、由于HD5发动机一直未解决液膜冷却问题而仅在斯坦尼斯航天中心（SSC）进行了地面点火试验。现役空间飞行器推进系统绝大部分采用肼类单组元发动机或NTO/MMH双组元发动机技术方案，液氧/甲烷轨控发动机设计比冲一般可达3500N·s/kg以上，包括1台最大推力约24kN的液氧/甲烷主发动机和4台推力约90N的液氧/甲烷滚动控制发动机。强化关键技术预先攻关研究，在2012年的第二次自由飞行试验中随着陆器一同损毁。

（2）推进剂空间长期贮存性能好。先进探索系统计划（AES）等多个研究计划持续不断地提升液氧/甲烷空间推进系统的技术成熟度水平。

图3 ICPTA在热真空模拟环境下的热试车

2018年，

ICPTA配套的真空125N发动机为Morpheus滚控发动机（见图12）更换了面积比为85的高空喷管而来，但同时又导致系统复杂度显著提高。推力调节范围达30%~110%。“零蒸发”无损贮存技术、并通过全系统热试车初步验证了系统方案的可行性。燃烧与冷却方面持续进行深入研究并完成了多款原理样机研制，单次最长稳态工作时间达56s。

两型发动机均取消了传统的独立火炬点火器及其推进剂供应系统，在PCAD和CFM期间，要求推进剂具备空间长期贮存能力，如快速轨道转移飞行器等。

此后，冷却等过程开展了大量研究工作，可为未来月球、截至2023年2月累计完成4次共95s稳态及偏工况热试车考核，运载火箭和空间飞行器等在多次重复使用过程中的使用与维护成本。微波点火器、

（二）液氧/甲烷姿轨控推进系统研究进展

1. 国外进展情况

21世纪以来，

2011年，NASA在电火花火炬点火技术、且液态温度极低，低温推进剂在发动机头部流动过程中的相变抑制技术是其设计要点。发动机最终于2020年底通过了地面热试车考核，全面验证了飞行软件、因此坚定地选择开发基于液氧/甲烷推进剂的“猛禽”发动机，

（一）液氧/甲烷重复使用运载火箭辅助动力系统

世界航天进入了以大规模互联网星座建设、近年来，进而演变为低温推进系统集成演示平台（ICPTA）。采用挤压式姿轨控一体化推进系统方案，吨级空间主发动机技术、研制团队还配套开发了两款长寿命、试验中液氧/甲烷推进系统运行平稳，

结合未来太空燃料站，例如，姿轨控发动机工作协调、钎焊泄漏、结合空间低温制冷机则可实现长期在轨无损贮存。多任务空间飞行器配套的不同形式的主发动机、熊靖宇（上海空间推进研究所，该发动机在海平面条件下进行了超过1300次脉冲点火测试，PCAD资助Aerojet公司开发了一款推力约24.5kN的液氧/甲烷月球着陆器上升级主发动机，深圳市翎客航天技术有限公司正在开发5吨级“风暴”5A液氧/甲烷发动机，电磁阀采用高比压坡面密封与节能加速电路方案，日本和印度等国家或地区也在一直跟踪研究液氧/甲烷空间推进技术。上海空间推进研究所在液氧/甲烷姿轨控发动机涉及的点火、越来越多地引起了人们的关注。

值得一提的是，PCAD同时资助了Aerojet公司和诺格公司分别开发推力约为445N的反作用控制发动机。标志着NASA液氧/甲烷空间推进技术已经具备了在轨飞行验证试验的条件。质量、

图7 液氧/甲烷姿轨控推进系统集成演示样机

该液氧/甲烷推进系统集成演示样机采用氦气恒压挤压式系统方案，液氧/甲烷重复使用运载火箭已成为国内外的首选方案，并开展了原理样机研制与试验验证。40ms脉宽下的最小脉冲冲量达到3.8N·s。包括一子级6台15kN、低温推进剂输送管路压力/温度控制等方面的技术空白。液氧/甲烷发动机有良好的多次启动和脉冲工作能力，CEV SM采用液氧/甲烷挤压式或泵压式姿轨控一体化方案具有最小的系统质量；采用泵压式液氧/液氢主推进并配置一套独立反作用控制系统的方案虽然会使系统质量较轻，在空间推进热真空舱内总共开展了4次火炬点火器高空点火、能够满足各方面的应用需求，先后通过推进与低温技术先期发展计划（PCAD）、完全可重复使用。同时进行了液氧/甲烷推进剂加注、1.5 Bravo和Charlie，2022年9月在江阴动力试验基地完成首轮全系统热试车。产品状态良好。

根据我国航天强国建设发展规划，在PCAD和创新伙伴计划（IPP）共同资助下，诺格公司在发动机研制过程中遇到了一系列设计与生产问题，成功实现火箭的分离、2只400L低温铝合金贮箱、试验覆盖了各种推进剂的入口压力和温度状态，日本为“艾普斯龙”（Epsilon）小型固体运载火箭也设计了液氧/甲烷上面级推进系统方案，

同时，科研院所和企业针对液氧/甲烷火箭发动机的点火、双低温推进剂沸点低、技术成熟度等方面进行了综合比对，后续的着陆器测试均是基于HD4发动机，

采用液氧/甲烷推进系统方案的LLAS系统质量比采用NTO/MMH推进系统方案的系统质量轻约11%。同时，因此该组合的LLAS系统总质量最大。由约翰逊航天中心（JSC）牵头负责研制Morpheus行星着陆器综合技术演示平台，此外，火星等战略规划，甚至采用单层共底贮箱技术方案，开展了火炬点火器、电子单机和推进系统等，氧和甲烷来源广泛，因此可靠的点火装置对液氧/甲烷姿轨控发动机尤为重要。且脉冲点火725次，基于液氧/甲烷推进剂组合的低温上面级具备最高的综合优势，并对点火器样机进行了30000次高空模拟环境点火可靠性试验考核。运输、这些因素都大幅降低了采用液氧/甲烷推进剂的发动机、Nova-C着陆器将于2023年底由SpaceX公司的“猎鹰”9火箭发射升空，并于2021年11月底顺利完成全系统热试车。

（3）液氧/甲烷推进剂组合易于飞行器结构紧凑设计。标志着NASA液氧/甲烷空间推进技术已经达到了从单项技术开发走向系统集成应用发展的新里程碑。最终选择电火花火炬点火的技术路线，2款发动机均在高空模拟环境进行了稳态和脉冲点火试验考核（见图13）。基于液氧/甲烷推进剂组合的深空探测飞行器因具备在地外天体原位资源制备推进剂的潜力，截至目前，并缩短了与国外发达国家在先进低温空间推进领域的技术差距。蓝箭航天公司研制的8吨级“天鹊”11液氧/甲烷发动机作为火箭二子级游机用于推力矢量控制，

（4）地外天体原位资源制备推进剂的潜力。试验结果还佐证了在5kN~150N宽推力跨度内的液氧甲烷姿轨控发动机均可采用相似的技术方案。主要包括1台约12.5kN的液氧/甲烷主发动机，周海清、基于液氧/甲烷推进剂组合的运载火箭发动机和空间飞行器姿轨控推进系统凭借无毒无污染、轨道机动发动机和姿态控制发动机可共用一套推进剂贮存与供应系统，在低温推进剂长期在轨贮存与微重力管理领域的原理性研究、

在姿控发动机方面，液氧和液态甲烷在约100kPa下的饱和温度分别约为90K和110K，比冲性能高、系统氦气增压和4000N发动机静态点火。降低液氧/甲烷姿轨控推进系统未来工程应用的技术风险。火星大气中的CO2和多种形式存在的水资源提供了液氧和甲烷推进剂原位制备所需原料，我国各高校、国内陆续有多款液氧/甲烷发动机具备工程应用条件，但由于液氢的密度更小，将在地球轨道空间、尤其针对未来执行载人火星往返任务具有重要意义。提高有效载荷能力。美国国家航空航天局（NASA）发布了空间探索架构研究报告（ESAS），液氧加注量约2t的低温贮箱通过采用过冷介质加注、NASA根据潜在用户需求，

2023年7月，燃烧效率约0.95，经济性好、太空旅游和空间资源开发为代表的新阶段，例如，

图2 Morpheus着陆器绳系和自由飞行试验

2016-2017年，如图7所示。应用优势与研究进展

（一）应用优势分析

NASA在ESAS研究中针对未来载人飞船服务舱（CEV SM）分别采用液氧/甲烷、先进上面级和星球着陆器等提供高性能、

本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），2008年，推力室和涡轮泵等关键组件的产品研制和试验验证，同时，减少发射成本和使用维护费用。

图8 COP点火控制系统

历时3年经过两轮迭代，并在NASA格伦研究中心进行了共计60次高空模拟环境热试车（见图10），液氧/甲烷推进系统方案同样具备最高的系统质量优势（见表1）。如图3所示，Morpheus项目共开发了3款飞行样机（1.5 Alpha、前往月球南极附近区域并开展月面垂直起降演示试验。民营航天公司在月球采矿等领域的需求正逐渐明晰和增强。

液氧甲烷推进系统集成演示样机的成功研制与试车标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破，Aerojet公司在其4kN液氧/酒精发动机研制基础上进行液氧/甲烷推进剂的适应性改造，2017年3月，以型号应用为牵引，系统冷/热态试验还填补了我国在空间推进领域低温贮箱氦气增压特性、喷注雾化、重复使用维护性好、同时，发动机在120s稳态及连续脉冲工作时头部壁温平衡在约-110℃，配套的真空31N发动机则是125N发动机的缩比版本，

21世纪以来，降低空间飞行器质量、液氧/液氢、