液氧煤油发动机 中国火箭新动力





7月29日，正当中国运动员在伦敦奥运赛场摘金夺银之时，陕西的群山间也传出了喜讯：国产新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机200秒点火热试车再获成功。
这款YF-100发动机，是将于2014年首飞的长征五号新型运载火箭的“心脏”之一，而未来的国产空间站核心舱段、以及将首次到月球取样并返回的嫦娥五号卫星等，都将由长征五号送入太空。随着YF-100发动机的研制成功，中国航天朝着新阶段的目标又迈出了坚实一步。 6park.com
固液两流派 特长有分别

火箭发动机分为固体、液体两大“流派”。其中固体火箭发动机使用燃烧剂、氧化剂和其他添加剂混合在一起的固体推进剂，结构简单，可长期储存，无需临时加注；但工作效率低，工作时间短，不易控制，所以一般用于军用的导弹、火箭武器，较少用于航天发射。
液体火箭发动机则使用液态的氧化剂和燃烧剂，而且两者必须分别储存。其优点包括效率高、推力范围大、工作时间长、可精确控制等，在航天发射和航天器的姿态控制、轨道转移中广泛使用。四氧化二氮-偏二甲肼、液氧-煤油、液氧-液氢、液氧-甲烷，是目前运载火箭常用的几种液体推进剂组合。
液氧配煤油 环保又省钱

其实早在这次试车之前，国防科工局已于今年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“液氧煤油高压补燃循环液体发动机核心技术”的国家。
这里解释一下两个关键词：液氧煤油，补燃循环。
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%，可以大大减少燃料携带，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。
此外媒体报道称YF-100发动机可以“重复使用”，其实目前我国尚无火箭发射后回收发动机的计划，主要是指在台架试验阶段可以进行多次试车，而且试车后仍可用于发射。不过仅此一项，仍足以大幅减少研制成本，不必每次测试都报废一台昂贵的发动机。
剧毒推进剂 有望成历史

迄今为止，长征2、3、4系列运载火箭的主发动机，均使用四氧化二氮-偏二甲肼作为推进剂。与低温的液氧-煤油、液氧-液氢等其他液体推进剂相比，这一组合可在常温下保存和使用，更加适于军事用途。而长征系列火箭正是在东风-5液体燃料战略导弹的基础上研发而成，也保留了这一较为成熟的推进方式。
然而，四氧化二氮、偏二甲肼和两者的燃烧产物都有很强毒性，储存与加注时需要非常小心，落地的火箭残骸也会污染环境。美国已从1970年起禁止在本土生产偏二甲肼，欧洲“阿里安”火箭使用的偏二甲肼也一直从苏联/俄罗斯购买，并且在远离本土的法属圭亚那库鲁航天中心发射。从世界范围看，四氧化二氮-偏二甲肼推进剂属于将逐渐被淘汰的技术。
此外，四氧化二氮-偏二甲肼推进剂的效率并不特别出众，而且价格高昂，已成为限制中国火箭提升性能、降低发射成本的瓶颈。
苏俄执牛耳 美国奋起追

在液氧煤油发动机领域，苏联/俄罗斯长期处于世界领先地位。上世纪50年代，苏联率先研制成功RD-107/108液氧煤油发动机，以其为动力的“联盟”运载火箭将首位航天员加加林送上太空。随后苏联又研制了推力150吨级的NK-33液氧煤油发动机，计划用于载人登月的N-1火箭。但由于发动机推力低，N-1火箭的第一级就要采用30台发动机，过于复杂降低了可靠性，导致4次试验全部失败，登月计划告吹。
不过苏联人并未因此止步，在上世纪七、八十年代研制成功了推力740吨级的RD-170，作为“能源号”火箭的助推器，遗憾的是这一雄心勃勃的项目又因苏联解体而终止。此后，俄罗斯又推出了380吨级的RD-180和200吨级的RD-191，并向美国、欧洲、日本、印度、韩国等出口液氧煤油发动机产品和技术。
另一个航天巨人美国在这方面更为坎坷。1960年代，美国人研制了推力高达680吨的F-1液氧煤油发动机，用于迄今最大的运载火箭“土星5号”，实现了人类首次登月。不过该发动机虽然强大、可靠，却未能解决高压补燃的技术难题，只好使用较为“简单粗暴”、效率不高的燃气发生器循环技术。但阿波罗计划结束后，由于当时洲际导弹使用的固体发动机出现厂商产能过剩，美国航天界开始转向固体发动机。
冷战结束后，美国一度从老对手俄罗斯那里购买了101台RD-180，使自家的“宇宙神”5火箭降低了1/4发射成本。随后美国人也开始奋起直追，由SpaceX公司研制、今年6月成功发射“龙”号货运飞船的“猎鹰”9火箭，使用的就是在F-1核心技术基础上研发的“默林”液氧煤油发动机，但仍未采用补燃循环技术。（也间接证明某些登月怀疑论者声称的“土星5号火箭图纸早已神秘销毁”是多么不靠谱）

氢氧发动机 中国仍短板

YF-100液氧煤油发动机研制成功后，新一代运载火箭长征五号若要如期问世，还要等待另一个动力之源——用于火箭芯级的YF-77氢氧发动机尚未完成最后测试。
氢氧火箭发动机以液氢为燃烧剂、液氧为氧化剂，是各种推进剂组合中工作效率（比冲）最高的一种，就连液氧-煤油也难望其项背。但以目前的人类科技水平而言，它还称不上是火箭的理想推进剂：液氢价格非常昂贵，储存温度必须保持在-252.7℃至-259.1℃的极低温，而且储存体积巨大。
因此，氢氧发动机在早期航天中主要作为推力较小的火箭上面级（第二、第三级）使用。随着技术的进步，新一代运载火箭也普遍在第一级中使用大推力氢氧发动机，如美国“德尔塔”4、日本H-2、欧洲“阿里安”5等。
我国从1970年开始研制氢氧发动机，首款产品YF-73用于长征三号运载火箭的第三级，额定真空推力4.5吨，1984年4月首次将“东方红二号”卫星送入地球同步轨道。目前长征三号系列火箭使用的YF-75则是我国第一种、也是迄今唯一一种专门设计并已投入使用的氢氧发动机。
根据公开资料，为长征五号研制的氢氧发动机YF-77于2001年正式立项，设计指标为地面推力52吨，真空推力70吨，与世界先进水平相比推力偏小，比冲也较低。在长征五号的构型中，火箭起飞时的大部分推力仍要仰仗YF-100液氧煤油发动机。目前YF-77已完成了500秒单次试车，按现有进度应能保证2014年的长征五号首飞。另外YF-75的新改型YF-75D，也将用于长征五号的上面级。 

匹配“大火箭” 托举空间站

将采用YF-100与YF-77作为“心脏”的长征五号火箭，是中国自主研发的新一代运载火箭，2006年正式立项获得编号。它使用模块化、系列化设计，力图提高可靠性，降低发射成本，并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米直径的助推模块，其中3.35米模块使用2台真空推力120吨的YF-100液氧煤油发动机，2.25米模块使用1台。
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），而目前发射“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），是目前长征三号乙火箭的近3倍。尤其是至关重要的近地轨道运力，将超过同级的欧空局阿里安5（Ariane V）、日本H-2A/B和美国的宇宙神-5（Atlas V）。
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吨级别，远超现有长征二号F火箭的近地轨道运载能力；嫦娥探月工程在完成嫦娥一号二号的绕月、三号四号的落月后，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，将有效扭转目前国产大推力火箭的空白局面。
今后五年内，YF-100发动机还将配给“长征”家族的另外两位新兵：其中长征六号火箭用于快速发射近地小型载荷，具备700千米高度太阳同步轨道不小于1吨的运载能力，第一级为1台YF-100；长征七号火箭则将接手载人飞船和货运飞船的发射任务，具备近地轨道13.5吨、700千米太阳同步轨道5.5吨的运载能力，第一级为2台YF-100芯级和4台YF-100助推器。

要圆登月梦 还需更强音

屡创辉煌的中国航天，其实也患有中国工业最大的痛——发动机“心脏病”，只是没有航空、汽车领域那么明显。与国际领先水平相比，120吨级的YF-100和70吨级的YF-77，仍显得不够“给力”，推力偏小。单台发动机推力小，火箭要上天就需要数量更多的发动机，从而使火箭结构更为复杂，增加成本并影响可靠性。
当然，中国航天人在工业与科研基础相对薄弱、缺乏国际先进技术参考的条件下，能有今天的成就已属不易，而且其目标也远不止于长征五号和空间站。在美国放弃重返月球的“星座计划”之后，中国在可预期的未来将成为唯一一个开展载人登月计划的国家，这就需要更强大的运载火箭——今年已正式公布的长征九号。
外界分析，这种重型火箭的推力将达3000吨以上，足以与美国阿波罗计划的“土星5号”媲美，将可以承担向月球发射返回式载人飞船、以及向太阳系外发射探测器的任务。对于如此巨大的推力需求，YF-100与YF-77或许难负重任，而需要在它们基础上研发新一代的液氧煤油发动机与氢氧发动机。以它们为心脏的新型中国火箭，有望现人类在阿波罗计划结束半个世纪后首次重返月球的壮举。

参考资料：
载人登月主动力——大推力液氧煤油发动机研究，李斌 栾希亭 张小平，《载人航天》2011.1

（本文同时发表于中国科技网，http://www.stdaily.com/special/node_9890.htm）
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