● 摘要
降低航天活动的成本成为航天发展的目标和方向之一，航天运载器的重复使用是降低成本的主要途径，由此也推动着可重复使用火箭发动机的发展。在传统的火箭发动机设计中，高性能是主要的设计要求；而对于可重复使用火箭发动机而言，性能、寿命、可靠性、可维修性和成本都是需要考虑的技术指标。论文采用理论分析的方法，开展氢氧可重复使用火箭发动机总体设计研究，对上述指标进行权衡分析和合理分配，并开展可重复使用发动机可靠性指标验证技术研究。
论文首先阐述了研究背景和研究意义，对国内外可重复使用发动机技术进行了详细调研，对航天飞机主发动机SSME的研制及使用情况进行了详细统计分析，归纳总结了可重复使用火箭发动机总体设计中存在的不足和需要改进之处，分析了开展可重复使用火箭发动机指标分配策略研究的必要性。
提出了可重复使用运载器年投资回报率的概念，给出了运载器及发动机设计寿命、年发射率等参数选择方法。根据我国航天发展现状，分析了我国可重复使用运载器总体参数的合理选择区间。相比一次性使用运载器，年发射率大于一定次数后才能体现重复使用运载器的优势；进一步地，在此基础上给出了可重复使用火箭发动机设计寿命确定原则。
开展了可重复使用火箭发动机系统模型研究，对可重复使用火箭发动机指标体系进行了梳理，根据可重复使用火箭发动机总体设计中涉及学科的发展情况，对分析模型库进行了扩充和完善，建立了系统性能模型、质量预估模型、可靠性模型、全寿命周期成本模型。针对重复使用发动机系统可维修这一特性，完成了发动机使用过程中预防性维修规划建模，对三种不同维修行为开展分析研究，并得到如下结论：维修对可重复使用发动机至关重要，通过合理的预防性维修规划，可以保证发动机使用过程中的寿命及可靠性指标要求，同时本文提出的方法还能用于确定发动机的大修期限。
开展了可重复使用火箭发动机指标分配方法研究。通过采用多学科优化方法来管理可重复使用发动机总体设计中涉及学科，基于响应面近似建立了优化设计平台，以发动机比冲、结构质量及全寿命周期成本为目标，在满足总体设计要求的基础上，开展了指标分配策略研究，给出了各子系统性能设计参数、寿命指标分配结果和维修性规划结果，结果表明：发动机性能和寿命、维修性之间存在相互制约关系，决策者需要在性能指标和经济性指标之间进行平衡；为了保证发动机系统使用过程中的高可靠性，子系统应按总体给定的寿命裕度要求(至少4倍有效役龄)进行设计。
根据发动机总体指标分配结果，开展了关键组件设计方法研究，建立推力室寿命预估模型和融入寿命模型的推力室设计方法，并分析了设计参数对结构寿命的影响规律。结果表明：冷却槽个数对推力室寿命的影响最明显；增加冷却槽个数和高宽比有利于提高推力室寿命。
开展了可重复使用火箭发动机可靠性指标验证规划研究。针对可重复使用火箭发动机长寿命高可靠的特点，提出了基于Bayes方法的可靠性试验多目标规划方法。该方法能够综合利用不同来源先验信息以减少试验量，同时兼顾试验精度和试验成本。对系统寿命服从Weibull分布的模型发动机开展可靠性试验方案规划研究，结果表明，通过对先验信息的合理利用，本文建立的基于Bayes理论的试验方案规划方法能在减少试验量的同时，实现可靠性指标的准确评估。