液体火箭发动机成长到了汽车与航空发动机的“青年阶段”
发布时间：2023-06-15
文章来源：景志康
液体火箭发动机成长到了汽车与航空发动机的“青年阶段”
编者按：汽车发动机技术经历了6大标志性迭代阶段，每一次升级大概需要10-20年的时间进入精细高效的装配方式，航空发动机几乎也是通过6次的来自于材料及装配技术等更新迭代走进现在的“精密化制造”阶段。液体火箭发动机经历过并正在经历着装配技术的重要进步。液体火箭发动机系统最为复杂，除了零件数从百到数万的陡增，提供4-10倍的动力，其稳定运行在极端的温度、震动和空压条件下。这也对装配技术提出超高要求，最小的间隙和误差。因此，液体火箭发动机在一定程度上，是国家科技水平和综合实力的重要代表。
一、基础信息对比
汽车发动机、航空发动机和液体火箭发动机都是内燃机，但是它们的工作环境、功率和效率要求、燃料类型和设计结构都有很大不同。
汽车发动机通常运用于地面车辆上，它的主要特点是功率稳定，结构简单，燃料使用成本低。根据燃料种类可以分为汽油发动机和柴油发动机。根据工作原理又可以分为两冲程发动机和四冲程发动机（四冲程发动机更为常见），根据进气方式可以分为吸气式发动机和涡轮增压发动机。
航空发动机适用于各种飞行器，包括民用飞机、空客、直升机、军用战斗机、运输机等。它的主要特点是功率大、重量轻、工作环境苛刻，具有高度的可靠性和安全性。一般情况下，航空发动机采用涡轮喷气式或者涡轮螺旋桨式设计，以提供足够的推力、效率和速度。
液体火箭发动机适用于航天器发射和太空探索等领域。液体火箭发动机的主要特点是推力大、速度快、可调节性好，特别是用于太空探索时，可以提供足够的推力和速度来克服地球引力和逃逸速度。液体火箭发动机采用液态氧化剂和亚燃料推进剂，需要在极端的温度和压力下工作，具有很高的技术难度。
二、液体火箭发动机技术迭代相对较缓，需要大量数据与技术验证
汽车发动机技术从前期阶段的“汽车发动机的手工装配时期，缺乏标准化的制造工艺和标准检验方法，生产效率低，质量无法保证”，到现在阶段的“三维打印技术和人工智能技术运用在汽车发动机领域”，让其制造过程更加精细化、智能化和高效化，同时通信技术和物联网技术应用也为汽车生产线的实时监控和管理提供了强有力的支持”。共经历6大标志性迭代阶段，每一次升级大概需要10-20年的时间，详情如下图：
航空发动机的发展节奏与航空发动机类似，在1940年代“电动工具的使用，让航空发动机的装配效果大幅提高，同时，第一条复合材料叶片的运用，极大提升了航空发动机性能”，这是航空发动机的第一次里程碑式的发展。经过近一个世纪的发展，6次里程碑式的更新迭代终于进入到现在“精密化制造”阶段。发展详情如下图：
与汽车和航空相比，液体火箭发动机的发展进程相对较缓。第一个重要里程碑是在二战时期，但由于手工工艺占了巨大比重，制造和组装工艺简单，缺乏标准化工艺和质量控制手段，这阶段的液体火箭发动机生产过程复杂且装配效率较低。20世纪60年代阿波罗计划的启动，标志着液体发动机装配技术的重要进步。20世纪90年代后，随着计算机技术的跨越式进步，3D打印和人工智能都在液体火箭发动生产制造过程中起到了重要作用。发展详情如下图：
三、复杂程度层面，液体火箭发动机系统最为复杂，对精度、可靠性和安全性的要求最高
汽车发动机通常有数百个零件采用自动化装配线完成，包括机身、转子、汽缸、曲轴、进气管、排气管、点火系统、润滑系统、燃油系统等各个部件的组装。由于汽车发动机需要在长时间的运转过程中保持高效和稳定的状态，所以具有一定的复杂程度，但在维修、更换方面，也可以采用相对简单的维修技术和零部件更换。
航空发动机需要具有较高的可靠性、安全性和环境适应性，与汽车发动机相比它的系统更为复杂，零件数量更多。由于航空发动机的系统需要在极高的温度、压力和速度条件下运行，需要考虑空气稀薄、高速运动和动力输出的平衡性。 包括涡轮机、离心压缩机、压缩机、燃烧室、喷气推进器、传感器、控制系统等，需要配合高精度的设计、制造和保障。其复杂度较高。
液体火箭发动机的复杂度最高，主要原因在于液体火箭发动机需要在太空中或者和太空密接的边缘运行，需要满足高精度、高可靠性和安全性的要求。液体火箭发动机需要把初始能量（化学能）转变为经济的动能，需要大量的液体燃料和氧化剂，组成一系列的反应系统，完成燃烧反应和产生大量的推力，确保火箭成功起飞。另外，液体火箭发动机由数万个零部件组成，需要保证各部分之间的精密配合和密封性，并在极端的高温、低温、震动、空压条件下稳定运行。同时还包括了各种控制系统，例如方向控制和推进剂流量等等。
四、研制周期方面，液体火箭发动机更需要长跨度的时间周期，需要多年科研攻关
汽车发动机的研制周期通常较短，一般只需要几个月到几年不等的时间。这是因为汽车发动机的设计、研发和制造相对比较简单，并且很多设计和技术手段都可以借助虚拟模拟软件，缩短原型车的研发和试验时间。
航空发动机的研制周期相对于液体火箭发动机来说略微缩短，需要几年到几十年不等的时间。这是因为航空发动机在设计和制造方面极为复杂，需要高度精确的模拟和实验，而且在审批和检测上也有一系列极其严格的标准。
液体火箭发动机的研制周期较长，一般需要经过多年的科研攻关，经过多轮的实验测试和修改才能够最终研制成功。因为液体火箭发动机在燃烧等方面有着极高的安全性和可靠性标准，所以需要耗费很多的时间和精力来进行各种检测和验证，从而不断优化和改进燃烧生产过程中的各个环节。
五、生产模式和制造水平层面，液体火箭发动机需要更强的科技水平和制造水平，是国家综合实力的重要代表。
汽车发动机经历了传统的“手工生产模式”、将制造流程分为多个工序和站点的“流水线生产模式”两大阶段后，随着制造业智能化的发展，智能制造技术在汽车发动机生产领域的应用日趋广泛，可以自动化地完成加工、检测等工作。现代汽车发动机的生产制造水平已经相当高，特别是在欧美、日本、韩国等汽车工业发达国家，技术和设备的水平一直处于世界领先水平，很好的实现了制造和研发技术更新换代，使得发动机的性能和质量有了整体提升，同时还能达到更高的能源利用率和减少环境污染的举措。
航空发动机经历了历史悠久但生产效率低下的传统手工制造模式阶段，逐步发展到采用数控加工、现代化的生产设备和机器人技术来完成复杂工艺加工的数字化制造模式阶段。现代航空发动机制造水平高度精密化和自动化、数字化等特征，并采用了一系列极为现代的节能减排和环保措施。航空发动机技术、品质、生产效率、环保性等方面都有较高要求，要经过漫长而复杂的生产流程，属于高端制造业。
液体火箭发动机直接进入智能化制造模式，零部件数量巨大考验着各个制造企业所能承受的压力，尤其是批量化生产同型号发动机时，设计方面也需要进行“通用化”调整。所以液体火箭发动机需要精密铸造技术和通用的设计平台进行“保障”，制造过程需要更加严谨、精确、标准，要求制造厂家必须拥有完整的设计研发能力、工艺与制造能力，具有较大的研发投入。在一定程度上，液体火箭发动机的生产制造模式和制造水平是国家科技水平和综合实力的重要代表。
六、装配技术层面，由于“工作环境”的极端性，液体火箭发动机要求和标准最为严格
汽车发动机的主要目标是提供足够的能量从而驱动汽车行驶，而且主要组件相对较少，与航空发动机与液体火箭发动机的装配技术和要求相比较简单。
航空发动机需要在极高的精度和质量要求下进行装配，采用了许多高精度的加工和组装技术。因此需要更高的技能和经验，在维修和更换方面也需要采用更加复杂的装配和维修技术。
液体火箭发动机是现代太空探索和军事领域中关键的动力设备之一，制造过程非常复杂，需要各种高科技设备和技术手段的支持，以确保发动机能够在极端恶劣的环境中安全可靠地运行。所以液体火箭发动机的装配要求最高，需要使用高精度、高质量的加工和组装技术，使得各个部件之间具有最小的间隙和误差，防止发动机在高速运转时产生异常震动或压力波导致故障。所以在维修和更换方面，需要使用非常复杂的装配和维修技术，同时也需要采用更加严格的安全标准。
作者：景志康