长征六号运载火箭使用的液氧煤油发动机 世界最先进的火箭发动机

长征六号运载火箭是中华人民共和国上海航天技术研究院(中国航天科技集团公司第八研究院)正在研制的新一代无毒无污染小型液体运载火箭。于2015年9月20日7时01分,长征六号在太原卫星发射中心点火发射,成功将20颗微小卫星送入太空。根据中国新一代运载火箭的发展思路,研制新一代运载火箭应坚持无毒、无污染、低成本、高可靠、适应性强、安全性好的发展原则形成的“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路。新一代运载火箭系列中规划的小型运载火箭,可以满足小型有效载荷的发射需求,也符合小型运载火箭的总体规划。其中一个系列就是我们熟知的长征系列火箭,两种发动机就是液氧煤油发动机和液氢液氧发动机,三个模块就是大、中、小三个模块即大型火箭长征五号、中型火箭长征七号、小型火箭长征六号。

液氧煤油发动机简介

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、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,研制新一代液体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高压补燃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高压补燃循环系统,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太空中工作,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。

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。

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”和“天宫”的长征二号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。

 

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