适用于80吨级燃气发生器循环甲烷/液氧火箭发动机的“坦克式先发优势”设计方法

华伟|于关|付松|张思远|易秀玉|新戈|陈航|沈汉莫

LandSpace科技有限公司，中国北京100176

摘要

TianQue-12A（TQ-12A）及其真空变体TQ-15A代表了80吨级液氧/甲烷发动机系列的最新发展，这些发动机针对高性能和成本效益高的发射作业进行了优化。本文介绍了简化后的箱头启动架构的开发和飞行验证，该架构无需辅助的烟火装置或氮气旋转系统。通过精心设计的阀门控制策略，确保了稳定的启动过程，并抑制了气体发生器温度的突然升高，从而保护了涡轮机的结构完整性。这一方法通过广泛的飞行测试得到了严格验证，最终使得ZQ-3于2025年12月首次成功发射。飞行数据表明，该发动机在包括地面点火、高真空再入燃烧以及超音速着陆重启在内的各种任务条件下均表现出了稳定的可靠性。即使在入口条件较差（压力低、温度高）的情况下，发动机也能保持稳定的启动特性。这些结果证明了箱头启动技术是一种成熟且经过飞行验证的解决方案，适用于未来的可重复使用运载火箭，显著降低了系统复杂性和维护需求。

引言

液体推进剂火箭发动机（LPREs）的点火和启动子系统是推进系统设计中的关键部分，它决定了启动过程中的瞬态特性，同时需要在可靠性、系统复杂性和运营成本之间取得平衡[1], [2], [3], [4], [5], [6]。传统上，LPREs的启动需要依赖烟火装置或气体旋转系统等辅助系统。历史上，几乎所有气体发生器循环发动机都使用了这些辅助启动方法，这些方法依赖于外部专用能源。值得注意的例外是日本的LE-5发动机，它采用膨胀机放气循环在点燃气体发生器之前启动涡轮泵[7]。此外，美国J-2发动机的早期设计也考虑过箱头启动方式，即利用火箭推进剂储罐中的初始压力来点燃气体发生器，但最终因推力增长加速度较慢而放弃了这一方案，转而采用高压气体辅助启动系统[8]。相比之下，分级燃烧循环的RS-25发动机成功采用了箱头启动方式，且无需任何辅助系统，但它对发动机状态的微小变化（如阀门位置、泵分离扭矩）非常敏感，同时启动条件也有很大的限制[9], [10]。

甲烷/液氧推进系统的出现为创新启动方法提供了机会，这些方法利用了这些推进剂的独特特性。甲烷具有多个优点，例如沸点适中（111.7K，而氢气在1个标准大气压下的沸点为20.4K）、燃烧性能良好，以及燃烧清洁、减少了积碳效应，从而提高了可重复使用性[11], [12], [13], [14]

由中国私营航天公司LandSpace开发的TianQue-12（TQ-12）发动机系列[15], [16]，为实施替代启动方法提供了宝贵的案例研究。作为首个成功用于轨道级火箭（ZhuQue-2运载火箭）的甲烷/液氧发动机，TQ-12自最初开发以来已取得了显著进步。基线版本的TQ-12是一种气体发生器循环发动机，使用液甲烷和液氧，在海平面条件下可产生660 kN的推力。升级后的TQ-12A推力提高了10%，同时质量减少了约100公斤。这些改进是在保持核心架构的基础上进行的，并实现了全系统的优化。

本文详细介绍了为TQ-12发动机系列开发的箱头启动技术，该技术消除了传统辅助系统，同时在各种运行环境中保持了可靠的启动特性。文章还讨论了这种技术方法、技术挑战、实验验证以及对未来发动机设计的影响。

内容片段

TQ-12发动机系列背景

本章详细介绍了80吨级液氧/液氮（LOX/LCH4）气体发生器发动机的技术概况，重点关注了从TQ-12到TQ-12A版本在架构上的转变。通过分析系统集成和组件升级情况，各章节阐述了实现高精度推力调节和可靠箱头启动所需的机械基础。关键参数的演变突显了该发动机在推重比方面的性能提升

箱头启动技术

在前一章描述的硬件架构基础上，本章详细阐述了80吨级液氧/液氮发动机从传统辅助启动方式向自主箱头启动系统的转变过程。基于发现气体发生器能够在极低入口压力下正常运行的事实，TQ-12A的升级重点在于消除复杂的辅助旋转硬件，以提高系统的可重复使用性。后续章节将进一步分析这些内容

实验验证

箱头启动技术已通过广泛的地面测试和飞行演示得到了验证，证明了其在多种运行环境下的可靠性。

讨论

基于飞行验证的结果，本章评估了箱头启动技术的系统优势。通过结合当前的安全裕度和下一代TQ-12B的开发路线图，为未来商业发射操作中的高频率可重复使用性奠定了技术基础。

结论

TQ-12发动机系列在火箭推进技术的发展中树立了多个里程碑，包括为世界上首艘使用甲烷燃料的轨道运载火箭提供动力。箱头启动技术的应用是推进技术的又一项创新贡献，它在性能、可靠性和成本之间取得了平衡。随着商业航天产业朝着可重复使用系统和甲烷推进技术的方向发展，从TQ-12项目中获得的经验教训将具有重要意义

CRediT作者贡献声明

沈汉莫：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。张思远：验证、监督、调查。新戈：验证、方法论研究、调查、形式化分析。陈航：验证。付松：验证、方法论研究、形式化分析、概念构思。易秀玉：验证、方法论研究、调查、形式化分析。华伟：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论研究、调查、形式化分析、概念构思。于关：撰写 –

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