目前塞式构型的发动机发展迅猛，它拥有比冲高、推力大等优点，吸引国内外许多试验室都在对这个技术进行研究。我们冕巢航天在塞式构型基础上开发了轴塞式发动机，采用单燃烧室设计，在燃烧室内安装轴塞以使燃气在喷口处汇集，形成推力，下面是我们冕巢航天在2020年进行轴塞式发动机静态试车的画面。

      在前文中，我们简单地和大家分享了我们关于行星发动机喷管部分的讨论，但是我们对行星发动机的分析可不止于此，我们可是希望能够让大家都可以DIY，实现人手一台行星发动机（bushi）。那在了解了行星发动机喷管部分后，接下来我们将给大家介绍一下关于行星发动机方向控制方面的知识，各位小板凳坐好，咱们简单聊聊。

       为了提高行星发动机的运动自由度，实现地球在流浪过程中的灵活走位，如何实现射流喷气方向可控，成为了急需解决的问题。在《流浪地球》中，韩朵朵坐上刘启开的车，通过副驾的后视镜看到车后方的一座行星发动机，可以看到那台发动机不是朝着正上方工作的，而是带着一定的倾角。

       众所周知，地球是一个球体，那就意味着除非是位于流浪地球计划中飞行方向的正后方的行星发动机需要垂直工作外，其他方位的行星发动机都需要一定角度的摆动来修正射流喷射方向，使得射流尽可能朝向后方射出，提供更高效率的推动力。当地球需要进行一定机动动作的时候，如转向或变轨，除了赤道上的行星发动机提供横向推力外，还需要其他发动机做出相应的运动来配合转向。

        那行星发动机采用的是怎样的伺服结构呢？

        多个轴塞喷管集合在大喷管内形成产生推力的推力室。通过电影的剧照和正式画面，我们可以看到推力室外侧有7根活动摆臂控制推力室的运动。依照前面的分析，这个活动摆臂正是位于推力室和重聚变反应室之间，即说明伺服系统仅控制推力室运动调节喷射方向，而不是连带反应室进行运动——这就是目前最先进的“泵后摆”技术！

       截至2023年，世界上唯二掌握泵后摆技术的国家是俄罗斯和中国。西安航天动力研究所自主研究设计的中国首台130吨级泵后摆液氧煤油发动机在2017年6月圆满完成首次试车，使中国成为世界上第二个掌握泵后摆核心技术的国家，并在2022年12月完成第4次试车，累计试车2100秒！

       为什么这个泵后摆技术这么难呢？这还得从导弹的历史说起。

       1942年10月13日，冯·布劳恩和罗伯特·多恩伯格经过多次失败，终于研发出了人类第一枚大型弹道式导弹——V2导弹，它采用酒精加液氧作为燃料组合，除了装在箭体外的空气舵外还采用了燃气舵作为控制方向的结构。燃气舵装在发动机喷管外，通过摆动舵面调整喷管出来的燃气方向来实现机动控制。V2导弹用的是石墨作为燃气舵。众所周知石墨具有耐高温、易加工的特性，而且成本低，这是应用在高温环境下极好的材料了，然而高速高温的燃气却让燃气舵逐渐失去了信心，石墨质地较软，在燃气的冲刷下烧蚀严重，导致舵效下降，这也是影响V2导弹精准度的原因之一。随着冶金技术及材料科学的进步，可选择的耐高温耐高压材料越来越丰富，促进飞行控制系统更加成熟可靠。因此，现在仍能看到燃气舵出现在许多导弹、制导火箭弹或固体燃料火箭上，证明它依然是一名可靠的同志。

       尽管燃气舵是一个很不错的选择，但是背后驱动多个燃气舵的伺服系统带来的重量让工程师们不由得眉头一皱，如果这个重量可以得到更好的控制那就可以进一步提高效率了。后来便出现了分级燃烧的概念，使得发动机矢量控制变得更加复杂了起来。人们开始在火箭发动机数量上做文章，比如采用主推力室加数台游机的方案，由主发动机提供前进的推力，给小的游机装上伺服器控制游机的摆动，直接明了地解决方向控制的问题，小小的游机产生的推力也在一定程度上弥补了伺服系统的重量。

       但是火箭上寸土寸金，更多的游机代表发动机动力系统更加复杂，空间利用率也会大幅度降低。于是人们开始把伺服系统安装在发动机上，出现了现代主流的“摆后泵”发动机技术。摆后泵技术不需要额外增加游机，燃料贮存箱和发动机燃气泵进口采用软管或软关节进行连接，通过伸缩杆伸缩或连杆运动控制整个发动机运动，减少了复杂的游机燃料供给系统及游机本身的重量，换来一副敏捷的伺服系统，即可达到控制飞行器飞行方向的目的。

        然而驱动整个发动机运动需要的能量是巨大的，那就意味着伺服系统不能设计得过于单薄，要有足够的强度和动力，随之而来的是相应增加的重量。设计师在追求完美方面可以说是丧心病狂，他们拼命地去研究怎样才可以把发动机伺服系统做得更完善。于是他们发现，如果只需要控制推力室摆动，那就不需要这么大的力量去驱动了，降低伺服系统的力量要求，还可以降低伺服系统的行程，这就意味着还可以降低伺服系统的重量！于是，苏联的工程师们推出了他们的泵后摆富氧补燃循环发动机——RD-170。

      苏联在强大的RD-170基础上还延伸开发了RD171和RD-180等众多型号，其中RD-180还大量出口给美国以满足他们的大推力运载火箭需求，如“宇宙神5”运载火箭的芯一级。RD-180发动机继承了RD-170的泵后摆技术，使得尾喷管的摆角可以达到8°,很好地满足矢量控制要求。只需一千万到两千五百万美元就可以买到这款经过市场认证的稳定可靠、推力达到3827千牛、比冲3052米/秒、NASA用了都说好的RD-180发动机，还要买什么自行车呢。（等spaceX起来后，可能会犹豫一下再选择）

       自RD-170搞出来后，分级循环的发动机在泵后摆技术上停滞了数十年的时间，这背后原因不乏毛子对外的技术封锁。直到2017年我国泵后摆发动机的试车成功，意味着我国科研人员通过自主研发打破了发动机技术的封锁，迈向更大推力发动机的研发道路。

       由此可见，泵后摆技术在当下对大部分国家来说都是非常有难度的，到了《流浪地球》中，应该是集合了全球科研力量才得以攻克该技术难点，采用泵后摆技术解决行星发动机矢量控制的问题。行星发动机体积巨大，整体都具有活动的能力是不现实的，若连带前面的预变反应堆一起运动则需要更大的伺服系统才能驱动，还需占用大量的地下空间以供反应堆运动，而直接让推力室运动起来的难度就降低许多了。我们可以从流浪地球官方和MOREVFX放出的行星发动机图中看到，推力外围有7个摆臂结构的伺服臂，每个伺服臂内侧还有着液压杆，提供支撑打开的推力。

        当行星发动机的射流需要朝某个角度倾斜时，相反朝向的摆臂就会支撑开来，把推力室一侧抬起朝对应角度倾斜，到了指定角度后就会锁死固定，即使发动机巨大的推力，也不会产生动摇。这也是泵后摆结构的好处，只需要较小的扭矩即可达到大推力发动机矢量控制的要求。

       现在塞式构型发动机的矢量控制大都依照上一篇《【巢话】如何成为朋友眼中的行星发动机专家》中的描述来进行。由于现在的塞式构型发动机更多是独立应用在飞行器上，不是多个串联成一个整体，所以单独控制即可满足需求。

       我们团队在设计轴塞式发动机时也考虑到了该结构下发动机如何进行矢量控制的问题。轴塞式发动机的轴塞为可活动结构，需要向轴向方向产生推力时，我们的轴塞保持在喷管的正中央，使得燃气可以均匀地从环形的喉部喷涌出来，在我们需要产生转向的推力时，控制轴塞向对应方向进行偏移，压缩对应方向的燃气出口面积并使得另一侧的燃气出口面积变大，让燃气以非对称的形式产生不对称的推力并形成偏转力矩，使飞行器转向。

       经过比对现有的各种伺服系统和矢量控制方法，我们暂时还没找到一个让我们各方面都很满意的结构，于是我们针对轴塞式发动机进行了更深入的研究，最终一个疯狂而高效方法出现在我们的脑海里——杠杆结构。

       我们在球形的轴塞顶端做一根延伸杆，贯穿发动机燃烧室的顶端，并在后端与伺服系统连接，由伺服系统推动延伸杆运动，使喷管一侧的轴塞做出对应的运动。在这个疯狂方案的背后有着许多令人难以解决的难题，如：如何保证延伸杆的孔在极高压的燃烧室中保持密封同时保证延伸杆活动能力不受影响、如何解决发动机燃气的过高温度对轴塞带来的破坏等等。而这些问题我们目前都找到了解决方案，并进行了大量的试车以论证我们的轴塞式发动机的可行性。

       在本篇文章里，我们简单地给大家分享了对行星发动机的矢量控制结构的推敲，感谢大家对我们的支持！如果有不准确的地方欢迎大家批评指正。如果大家在阅读过程中产生任何疑问也欢迎给我们留言，我们将尽量为大家解答。

作者：Leon

校对：Helen、何敏滢