液氧煤油发动机

拥有大推力性能的火箭发动机

液态氧 煤油 发动机,是新一代的120吨液氧煤油 火箭发动机 ,由第六研究院成功点火热试车,展现出最先进的 分级燃烧循环 系统。相较于现有“ 长征 ”系列 运载火箭 发动机 ,液氧煤油发动机的 推力 提高了60%以上,运载能力提升到了25吨,是原来的3倍左右。性能方面有显著提高,运载能力大幅提升。同时,液氧和 煤油 都是环保燃料,无污染。

长征5号,是中国自主研制的运载火箭,于2016年11月3日首飞成功。2021年3月5日,中国重型火箭的500吨级液氧煤油发动机全工况半系统试车获得圆满成功。该发动机是长征5号火箭的关键部件之一,其推力达到了120吨。预计到2018年,中国重型火箭的液氧煤油发动机工程样机将完成整机生产和装配。

背景

正当中国运动员在伦敦奥运赛场摘金夺银时, 陕西省 的群山之间2012年7月29日也传出捷报:国产新一代大 推力 120吨液氧煤油火箭发动机点火热试车再获成功。

这款YF-100发动机,将是国产新一代 长征五号运载火箭 运载火箭 的主要“心脏”,而未来的国产 空间站 核心舱段、以及要降落月球 取样 并返回的 嫦娥五号探测器 卫星 等,都将由长征五号送入太空。随着该 发动机 的研制成功, 航天科工集团 朝着新阶段又迈出了坚实一步。其实早在这次试车之前, 国防科工局 已于2012年6月完成了对YF-100发动机的项目验收。这次试车的发动机,此前已经储存了3年,并经历过两次极限工况试车考验。媒体报道称,这标志着我国成为继 苏联 / 俄罗斯 之后,第二个完全掌握“液氧煤油 分级燃烧循环 液体发动机核心技术”的国家。

发动机简介

“在新一代 运载火箭 液氧煤油发动机整机研制初期,失败与挫折是家常便饭。发展航天,动力先行。从某种程度来说,人类探索太空的能力,取决于航天 发动机 的 推力 。新发动机将作为我国新一代运载火箭的 动力系统 ,装备 长征五号运载火箭 、六号、七号运载火箭,为 载人航天 、 月球探测 等国家重大专项任务提供动力保障。以推举 神舟九号 与 天宫一号 圆满完成载人交会对接任务的 长征二号系列运载火箭 F火箭为代表的我国现役长征系列运载火箭,虽已取得举世瞩目的成绩,但其推力已经不能满足未来航天技术发展的需求,研制新一代 液态火箭发动机 显得格外迫切。

国家国防科工局刚刚完成了对该型号发动机的项目验收,标志着我国成为继 俄罗斯 之后第二个完全掌握液氧煤油 分级燃烧循环 液体火箭发动机核心技术的国家。

这台储存了3年、此前已经历过两次极限工况热试车考验的 发动机 ,在又一次的挑战极限考验中表现完美。这也表明中国航天动力正在经历新旧更迭,将大大加快我国由航天大国向航天强国迈进的步伐。 2000年国家正式立项进入工程研制至今的12年间,液氧煤油发动机已先后进行了百余次试车。从研制高压补燃循环发动机开始,已突破80余项关键和核心技术,先后研制出3种基本型发动机,以及5种适应不同火箭总体飞行状态的发动机。

火箭运载能力

现阶段使用的发动机单台 推力 是70吨左右,火箭的运载能力9吨上下。120吨级液氧煤油 发动机 采用了世界上最先进的 分级燃烧循环 系统,其推力比我国现有 长征 系列 运载火箭 发动机提高60%以上,运载能力是原来3倍左右,不仅采用的 推进剂 、循环方式与常规发动机不同,在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上,也比现有发动机高出数倍,在推力吨位、性能方面有大幅度提高。与常规发动机相比,液氧煤油发动机还具备诸多的优点:

一、推力大。

二、没有污染, 液态氧 和 煤油 都是环保燃料,而且易于存贮和运输。

三、经济,比常规 发动机 推进剂便宜60%。

四、可靠性高。

五、可重复使用。

优势

汽车、飞机、 轮船 的发动机,工作不仅要有燃料,还离不开 氧气 的助燃。而 运载火箭 要克服地心引力飞向太空,升空加速比飞机还要快得多,燃料作功的效率也必须非常高,还得在超高空乃至 外层空间 中工作,靠大气中的氧气是远远不够的。因此火箭在燃料之外,还要自带 氧化剂 ,火箭大部分的体积、重量都是由这两样占着。

液氧 煤油 发动机是以 液态氧 为氧化剂,煤油为燃烧剂(燃料)的 火箭发动机 。采用这一方式的YF-100与以往的 长征 火箭发动机相比,效能提高了15—20%,可大大减少燃料携带,减少火箭的重量和体积;煤油价格较低,每次发射可节省1000多万元;煤油与液氧都没有毒,燃烧也只生成水和 二氧化碳 ,不像以往的火箭发动机会产生剧毒污染。

补燃循环则是 发动机 闭式循环中的一种,原理是燃气经涡轮作功后还会进入 燃烧室 ,进行二次燃烧(补燃),从而更充分地释放能量。补燃循环比另一种循环方式——发生器循环的效率更高,但结构较为复杂,设计难度较大。

此外媒体报道YF-100发动机可以“重复使用”,其实主要是指在台架试验阶段可以进行多次试车,并非发射后回收。仅此一项,仍足以大幅减少研制成本。

试车

2014年8月,我国首台贮存5年的120吨级液氧煤油发动机,圆满完成100秒额定工况试车考核,液氧煤油发动机使用维护和环境适应性进一步得到考核。

2021年3月5日, 航天科工集团 六院研制的500吨级 液态氧 煤油 火箭发动机 ,取得全工况半系统试车的圆满成功。

意义

标志着120吨级 发动机 向满足火箭全任务剖面使用维护适应性迈出了坚实的一步。

国外

航天活动需要先进的火箭发动机, 载人航天 等重大航天活动更需要高可靠性、高安全性、高性能、低使用成本的火箭发动机。上世纪五十年代末, 苏联 研制了RD-107、RD-108 和RD-0110 液氧煤油发动机,用于 东方号 、 联盟号飞船 等 运载火箭 ,开创了人类载人航天的历史,联盟号火箭至今依然是载人航天的主要 运载工具 。六十年代, 美国 研制了 推力 6900 kN 的 F-1 液氧煤油发动机,实现了载人 登月 的伟大壮举。同时期,苏联研制了推力 1500 kN 的 NK-33 液氧煤油发动机,用于 N-1 载人登月火箭。八十年代,美国研制了 航天飞机 及其大型固体发动机和 SSME 氢氧发动机,支撑了美国三十年的 载人航天 。与此同时, 苏联 研制了RD-170 液氧煤油补燃循环发动机,用于能源号运载火箭。 苏联解体 后,能源运载火箭停止使用,但是以RD-170 发动机为代表的 航天动力 技术使 俄罗斯 保持着航天大国的地位。主要型号有RD-170、RD-253、RD-171、 RD-180火箭发动机 、 RD-191 等等。此外还有 美国 的 H-1火箭发动机 、Kestrel、RS-27A以及 英国 BlueStreakRZ2液体发动机等。

2011 年,因使用、维护费用过高等问题,美国将 航天飞机 退役,并开始研制新的 重型运载火箭 SLS。动力方面, 十二烷基磺酸钠 近期采用现有的固体助推级和 液态氧 氢气 发动机 ,并同步启动了大 推力 液氧 煤油 发动机研制,将 F-1 液氧煤油发动机改进为推力8000 kN 的 F-1B 发动机,开始研制推力 4450kN 的 AJ-1-E6 液氧煤油补燃循环发动机,计划在2023 年后优化 SLS 运载火箭 动力结构。近年来美国 SpaceX 公司的猎鹰 9、 轨道科学公司 的阿塔瑞斯运载火箭分别发射了 龙飞船 和 天鹅座飞船 ,用于 国际空间站 补给。猎鹰 9 火箭采用 Mer-lin 液氧煤油发动机,阿塔瑞斯火箭采用 俄罗斯 的NK-33 液氧煤油发动机。

纵观国外载人火箭,其主 发动机 的组成包括三种模式: 全液氧煤油发动机、液氧煤油发动机加 氢氧发动机 、固体发动机加氢氧发动机。其中,联盟号、猎鹰 9 等运载火箭采用了全液氧煤油发动机模式,效费比最高,符合可靠性高、无毒环保、性能高、成本低、使用维护便捷的发展趋势。

以 YF-20 系列四氧化二氮/偏二甲 发动机为动力,我国成功实现了国人的飞天梦想。上世纪九十年代以来,我国开始研究新一代 液态氧 煤油 发动机,通过方案论证、技术引进、关键技术攻关和工程研制,目前已完全掌握了液氧煤油补燃循环发动机的关键技术。其中,1200 kN 发动机 研制中突破了 34 项关键技术,开发了 48 种新材料。目前,1200 kN 和 180 kN 液氧煤油发动机基本研制完成,即将用于新一代 运载火箭 。

液氧 煤油 补燃循环发动机的研制,使我国在液体火箭技术领域实现了重大跨越,成为世界上第二个掌握此项技术的国家,实现了我国运载火箭的更新换代,将为我国新一代载人火箭提供强大的动力。

前景

将以YF-100为“心脏”的 长征 五号火箭,是中国自主研发的新一代运载火箭。它使用模块化、系列化设计,力图提高可靠性,降低发射成本,能满足多样化的航天发射需求。

与以往的长征系列火箭相比,长征五号的芯级直径首次增至5米,使用2台真空 推力 70吨的 YF-77 氢氧发动机 ;外部捆绑总计4个3.35米或2.25米直径的助推器,分别使用2台或1台真空推力120吨的YF-100液氧煤油发动机。

如使用推力最大的组合方式,长征五号火箭将装备4个3.35米直径助推模块,8台YF-100和2台 YF-77 的总推力可达1100吨,能把25吨载荷送入 近地轨道 (LEO),而发射“ 神舟飞船 ”和“天宫”的 长征二号系列运载火箭 F火箭只有7.8吨;能把14吨的有效载荷送入36000公里高的 地球同步轨道 (GTO),是长征三号乙火箭的近3倍。尤其是近地轨道运力,将超过同级的欧空局“阿里安”5、 日本 H-2A/B和 美国 的“宇宙神”5。

按中国 载人航天 “三步走”计划,首个国产 空间站 将于2020年左右建成,其核心舱质量将达20吨级,远超现有长征二号F火箭的运载能力; 嫦娥 探月工程在完成绕月、落月后,采样返回的三期工程也需要更大运力的火箭;更远期对 火星 、 木星 、近地 小行星 和 小行星带 的深空探测,也需要更大运力的 运载火箭 。 长征 五号若能如期问世,将有效填补国产大 推力 火箭的空白。

此外,YF-100还将用于“ 长征 ”家族即将登场的两位新兵——长征六号和长征七号。

参考资料

  1. 重型火箭之基!我国500吨级火箭发动机全工况半系统试车成功- 今日头条-手机光明网 2021-03-07