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国内外火箭发动机发展现状及研发趋势分析

时间:2014-10-24  来源:高端装备发展研究中心  声明:原创报告 版权保护 禁止转载

航空航天发展,动力要先行——这是我国航空航天事业发展、成长、壮大得出的一个基本经验或者说是深刻教训。目前,美国、俄罗斯等国早已经拥有了成熟的火箭发动机制造技术,尤其是掌握了大推力液氧煤油发动机以及氢氧发动机为代表的重型运载火箭发动机成熟技术,使自身成为了名副其实的航天大国。当前,我国的载人航天和月球探测任务迫切需要大推力火箭发动机的支持,国外航天大国的领先优势以及国内航天任务需求对火箭发动机研制厂商提出了更高的要求,也暴露出了国内火箭发动机行业存在的许多不足和问题。

太阳谷咨询有限公司出版的《国内外火箭发动机技术发展及研发趋势调研报告》针对美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度和中国火箭发动机技术发展现状及对比,我国火箭发动机的总体发展现状及技术发展现状,与国外相比存在的不足之处,国内外重型运载火箭发动机研制现状及趋势、国内外火箭发动机技术发展最新动态、火箭发动机特别是重型运载火箭发动机的关键技术、火箭发动机材料等做了深入研究。

一、国内外火箭发动机发展现状分析

    美国是全球首屈一指的航空航天大国,在火箭发动机领域具有全球领先的技术水平,美国的运载火箭包含有雷神运载火箭、宇宙神运载火箭、德尔塔系列运载火箭、大力神系列运载火箭、土星号登月火箭等。美国的火箭发动机型号齐全,功能全面,具有满足各种发射需求的能力,并且持续创新。在全球火箭发动机行业占据重要地位,该国有多家企业涉足该行业,并在竞争之中提高,体制机制极其灵活,这是俄罗斯和中国所缺少的。

俄罗斯是与美国比肩的航空航天大国,在火箭发动机领域同样拥有举足轻重的历史地位,从某种程度上来说,俄罗斯的火箭发动机,特别是大推力火箭发动机领域是世界最高水平的。俄罗斯的火箭发动机技术完全继承了前苏联的所有遗产,并在原有的基础上,继续创新提高,在世界上处于领先水平。

    欧洲是现代火箭的发源地,德国的V-2火箭是世界上最早的现代火箭,并为前苏联的火箭事业发展提供了最初的原始基础。欧洲发展的火箭发动机更多面向市场需求,在国际火箭发射市场中占据着较大的市场份额。

    日本近年来的技术快速跃进,其H-IIB运载火箭已经2次成功完成向国际空间站发射总重约16.5吨的HTV货运飞船的任务。

201415日,印度空间组织在安得拉邦航天中心成功发射GSLV-D5运载火箭,该火箭首次成功应用了印度国产氢氧火箭发动机,使印度成为世界第六个具备低温火箭发动机技术的国家。

从国内外火箭发动机发展现状来看,中国所处的行业地位并不差,但是在大推力、重型运载火箭发动机方面严重缺失,使航空航天事业发展受到了一定的阻碍。

二、中国火箭发动机事业成绩显著,但困难问题依然很多

中国航天事业尤其是运载火箭数十年来的成绩,在发展中国家中可以说是独一无二的。印度迄今为止研制使用的PSLVGSLV火箭,其同步转移轨道运载能力分别只有1.2吨和2吨,以运载能力衡量相当于中国20年前的水平。至于另一个发展中国家的大国巴西,甚至没有一次成功的运载火箭发射。伊朗成功的发射了2颗卫星,但运载火箭的技术档次和运载能力尚不及中国长征一号运载火箭的水平。不过航天列强多数是发达国家,面对美国、俄罗斯、欧洲和日本等国家,中国运载火箭的技术和运载能力就要相形见绌了。

总体来说,中国的火箭发动机事业从无到有,取得了很多成绩,但是,目前我国的火箭发动机事业与国外先进水平相比存在着较大的差距,特别是我国需要建设空间站等现实需求之下,大推力火箭发动机已经成为中国急需的。

三、国内外火箭发动机发展趋势分析

1、高可靠、低成本、模块化系列化的一次性发动机

运载火箭未来的发展主要有三个方向,其一是运载能力不断增加,向重型化发展,这是与人类不断扩展的空间任务相适应的,以美国瞄准的未来载人小行星探测等任务为代表而发展的重型SLS运载火箭系统为代表;其二是向小型快速专用化方向发展,以多种固体和液体小型运载火箭为代表,并具备多种发射方式;其三是向模块化、低成本方向发展,这一趋势在各国的中型主力运载火箭和商业运载火箭方面表现尤为明显。

此外,作为运载火箭在空间运输领域的必要补充,上面级技术也在相对独立的发展,低温高能、长期留轨是其主要的发展方向。

实现航天运载器的重复使用天地往返是现阶段可以看到的航天运输系统发展的终极梦想,但受限于技术难度,除美苏曾开展的航天飞机工程实践外,其他重复使用运载器多处于技术验证的阶段。

未来,火箭发动机将向高可靠、低成本、模块化系列化发展,只有低成本发展,火箭发动机的市场开拓和成本控制、经济性才有可能提高,模块化发展也会有助于可靠性和经济性提高。

2、高性能、重型推力发动机

高性能、重型推力发动机是未来火箭发动机发展的重要方向之一,由于需要建设空间站,进行深空探测,因此,需要发展高性能、重型推力的发动机,各国都在原有发动机的基础上,针对大推力发动机展开了许多研究,对于中国而言,大推力发动机尤其急需,需要重点突破。

3、可重复使用的发动机

重复使用运载器以总体、动力、控制、热防护等技术为突破口,以运载火箭一级和助推器可控回收技术为起步,未来以亚轨道运载器和轨道级运载器分别发展,以两级重复使用运载器为综合集成的突破口,实现技术和可行性的验证,并最终实现工程应用和向单级重复使用的方向发展。可重复使用的发动机是最近各国重点关注的研究方向,中国也应在此方面投入力量组织研究。

4、多功能上面级发动机

火箭的上面级是完成有效载荷在轨布置以及由低轨向高轨转移的相对独立的一级。运载火箭的上面级将由专用任务型向独立的空间运输系统发展,主要表现在上面级将进行模块化设计,实现更高的性能以及更长的在轨时间,以满足与不同的运载火箭搭配适应更多发射任务的目标。上面级还将向平台化发展,即以上面级为平台,发展多种目标和任务适应性的空间运输系统。

目前在航天运输系统领域,还有许多新概念和新技术值得进一步跟踪和探索,在开展跟踪探索研究的基础上,抓住重点和具有发展前景的项目开展较为深入的研究工作,为更加长远的中国航天的发展奠定基础。

四、2014-2020年国内外火箭发动机行业发展前景分析

12014-2020年国外火箭发动机行业发展前景分析

目前,国外主要国家都在持续推动航天事业发展,虽然美国和俄罗斯在航天方面遭遇了一定的困难,自从美苏争霸结束之后,在航天事业,两国的投入都有较大幅度的下降,但是技术积累和工业基础仍然保持着,随着经济发展和对于航天事业推动的需求增强,国外火箭发动机行业仍然将获得良好的发展前景,美国在遭遇俄罗斯火箭发动机供货中止的威胁之后,积极组织力量研制大推力火箭发动机,俄罗斯凭借自身的力量,仍然在投入研制新型号的火箭发动机,美国的一些民营火箭发动机公司,比如SPACEX公司在火箭发动机领域也取得了很多进步。

日本和印度近年来获得了许多成绩,由于日本和印度在航天方面与中国还有一些差距,两国必将在未来进一步加大投入,因此,国外的火箭发动机行业未来发展空间仍然非常广阔,需求巨大并且持续扩展,一些国家由于自身力量不足,国际发射市场空间在持续增长,各种发射需求都在增长,随着经济发展,各国都需要在太空占据一席之地,由此可见,随着经济发展,火箭发动机行业必将迎来新一轮的增长期。

22014-2020年国内火箭发动机行业发展前景分析

中国航天史是从一九五六年二月开始的,当时著名科学家钱学森向中央提出《建立中国国防航空工业的意见》。一九五六年四月,成立中华人民共和国航空工业委员会,统一领导中国的航空和火箭事业。聂荣臻任主任,黄克诚、赵尔陆任副主任,航空工业委员会的成立标志着中国的航天事业创业的开始。自那时开始,中国的航天事业一直在持续进步,但是,近年来,火箭发动机与我国航天事业发展有些跟不上节奏,航天动力是航天事业发展的先行者和必要的保障条件,因此,在航天事业发展的需求牵引下,中国火箭发动机需要追赶和赶超的领域还非常多。

随着文昌卫星发射中心的建设和完成,我国的火箭发动机行业发展将迎来又一轮的增长期,长征-5号运载火箭将于2015年投入使用,该型号是我国火箭发动机行业的又一大里程碑,随着航天需求增多和任务加重,我国火箭发动机行业需要解决的困难和问题仍然很多,但是,国家的重视和投入是保障发展的强大支柱。我国火箭发动机行业必将迎来更好的发展前景。

五、2014-2020年中国火箭发动机行业发展意见建议

中国的火箭发动机行业发展虽然在过去取得了许多成绩,但是,需要进一步发展壮大,使火箭发动机行业的竞争力得到进一步增强,并承担更多更繁重的航天发射任务。

1,需要组织力量攻关大推力火箭发动机,大推力火箭发动机是进行空间站建设和探月、深空探测必不可少的一项装备,我国在大推力火箭发动机领域存在着很大的差距,相比日本都有一定的差距,火箭发动机行业需要认真研究和攻关关键技术,进一步加强企业管理和项目投入,引进各方面人才并培养后备人才,这些都是我国火箭发动机行业需要急需要做的。

2,火箭发动机材料需要更加重视,我国在火箭发动机材料方面取得了许多成绩,但是,相比国外而言仍然存在着一些差距,在复合材料、各种新材料研制方面,我国仍然处于落后状态,材料领域的落后必然导致火箭发动机性能和状态受到影响,在这方面,我国需要加大研发投入,重视新的研究方面,给予更多的关注和重视。

3,开展可回收火箭发动机、新型火箭发动机研制,国外目前在新型火箭发动机研制方面取得了许多进步,尤其是在超高速火箭发动机研制方面,取得了许多进展,而我国的研制工作仍然受挫,在关键技术和装备方面落后于发达国家,可回收火箭发动机可能成为未来的发展方向,我国需要开展预先研究,防止被先进发达国家甩在身后,一直处于追赶的地位。

六、太阳谷建议

火箭发动机属于国内外高度关注和管控的尖端技术,发展火箭发动机只能依靠自身的力量进行创新和发展,依靠美国和俄罗斯把核心技术转让给中国几乎不太可能。由于火箭发动机的特殊性和重要性,发展火箭发动机事业需要有高素质的人才队伍和良好的科研、试验条件,还要选对突破口和发展方向,规划好下一代火箭的发展。基于前期调研和研究,太阳谷给出如下建议:

1、紧紧抓住机遇、突破重点领域。我国的航天事业下一步发展,需要进行探月工程、深空探测、建设地球空间站,这些工程的进行必须要依赖大推力的火箭发动机,而我国目前仍然是一片空白,虽然海南文昌发射中心的建设可以让火箭发动机的运载能力提升10%左右,但是,与美国、俄罗斯、日本等国相比,我国火箭发动机的推力仍然很小。国家的航天事业呼唤大推力火箭发动机的诞生,我国火箭发动机行业需要在政策支持和扶持方面倒向重点产品和技术方面,因此需要在关键技术比如:大推力火箭发动机、先进材料、燃烧不充分等领域寻求重点突破。

2、面向全球市场,国内火箭发动机企业目前还专注于满足国内有限的航天发射市场,虽然中国的航天发射需求较多,占据了一部分国际市场份额,但是中国的发射市场毕竟不能同全球市场相比,守住国内市场并不是明智的选择。第三世界、欠发达地区市场等同样也具有很大的发射需求潜力,质优价廉的中国发射服务在这些国家的市场具有强大的竞争实力,国内企业需要关注这些潜在的市场,积极开拓国外市场。目前,泰雷兹集团、美国SPACEX公司等都在抢占航天发射市场,特别是SPACEX公司的发射成本已经管控得非常之低,具备了极强的竞争力,我国火箭发动机厂商需要给予高度关注,切实削减成本,打造具有竞争力的火箭发射服务。

3、重视科研、加强人才队伍建设,在高科技的火箭发动机领域,技术就是一切,人才是关键,国内相关单位还需要持续关注科研和人才队伍建设,厚积才能薄发,只有长期的技术研究和耕耘,才能拿出具有原创性和革命性的新产品,引进国外人才可能存在一定的困难,但是,可以在细分领域引进国外领军人才,创造良好的外部环境,吸引海外华人等高端人才加盟这个火箭发动机行业,在单位内,创造良好的激励约束机制,使科研人才的创造力和活力得到最大程度的发挥。

4、加强管理和体制机制创新,打造小而精的火箭发动机研制体系。SPACEX公司成立于2002年,短短的10多年时间,该公司已经发展成为了行业内的一支新秀,在航天发射市场,赢得了美国NASA的许多合同,并且具备了很强的国际竞争力,这样的现象不得不引起反思,我国的航天事业属于国有企业,一个集团内下辖众多的一级单位和二级单位,层级复杂,竞争力却不如只有几百人的美国私营企业,如何打造小而精的队伍,花最少的钱,发挥最大的效益和最强的战斗力恐怕是每一个火箭发动机单位领导必须考虑和花气力解决的重要问题。

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