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中国最强火箭发动机获突破 推力仍落后美日

时间:2016年06月03日 信息来源:凤凰军事 点击: 【字体:

一箭穿云惊浩宇,九天揽月灿星河

  

——长征系列液体运载火箭的四大看点之《氢氧发动机篇》

  

话说中国的液体火箭发动机,最早要追溯到1960年代的东风-1短程弹道导弹。1957年,苏联赠送给中国2枚R-2型导弹,我方将1枚留作研究,另1枚投入测绘仿制,发展中国自己的第一个弹道导弹型号:东风-1。1960年11月5日,东风-1试射成功,最大射程600公里,弹重20.5吨。这东风-1采用的就是单级液体火箭发动机,氧化剂为液氧,推进剂为酒精。

  

真的,纯酒精哦。因此还引出一件趣事:众所周知,俄罗斯战斗民族同时也是伏特加的超级粉丝团,为此还发生过在华苏联军事专家偷喝R2/东风-1导弹燃料酒精的故事。有兴趣的同学,可以去搜科罗廖夫同志的趣文。

  

后来,中国逐步研制了一系列航天用途的液体火箭发动机,代号均为YF(即“液体”和“发动机”两个词的拼音首字母)。从推进剂方案来看,包括以下四个分支:

  

分支一:硝酸-27S(HNO3-27S)+偏二甲肼UDMH

  

-25-30吨级推力的YF-1,YF-1,YF-3;

  

-100吨级的YF-2,YF-2A等等

  

(注意:YF-2/A由四台YF-1捆绑而成,因此实际上不能算是一种独立的发动机型号)。

  

分支二、四氧化二氮N₂O₄+偏二甲肼UDMH

  

70吨级推力的YF-20,YF-20B,YF-21,YF21B,YF-22,YF-22B,YF-24,等等。

  

这个分支有一点很值得一提。其中YF-22型号,1965年开始研制,历时十七年,于1982年设计定型,是我国用于东风某型洲际弹道导弹(你懂得)第一级和第二级的型号发动机。该发动机进行了累计73780秒的各类型试车,经历了大推力(额定推力的117%)和长程(额定工作时间的500%)可靠性试车的考验。其性能可靠性大于95%, 结构可靠性大于99.9%, 寿命下限为额定工作时间的3倍以上, 具有当时世界同类产品的先进水平。该型洲际弹道导弹一级采用四单机关联, 并可实现切向摇摆, 使中国导弹的飞行姿态和稳定控制技术达到了当时的世界先进水平。该型洲际弹道导弹二级也采用与一级相同的一台单机,即“ 一代二”的两级用一发方案, 这样缩短了研制周期。YF-22的改型发动机YF-22D用于改型洲际弹道导弹,于1993年6月2日发射成功。其民用版发动机则首先应用于长征四号运载火箭, 于1988年9月7日首次飞行成功,把中国风云一号太阳同步卫星送入了预定轨道。

  

这个分支的液体火箭发动机, 经过了数十年的研制历程,成为中国大型弹道导弹和航天发射的主力发动机。虽然中国其他新型洲际弹道导弹的燃料已经逐步固体化,但民用航天发射至今仍然采用该类型的液体发动机。而且,在过去的所有飞行发射试验中, 这个系列的液体火箭发动机保持了极高的成功率。

  

介绍了前两个分支,下面就是我们此篇文章的重点——氢氧发动机。

  

分支三:液氧LH2+液氢LOX

  

氢氧发动机,采用252℃的液氢和零下183℃的液氧分别作为燃料和氧化剂,因此是名符其实的低温发动机。采用这样低温发动机的火箭,因此被称为“冰箭”。中国氢氧发动机的主要型号如下:

  

YF-73,真空推力4.5吨力,真空比冲425秒、总工作时间750秒。1984年首发,用于长征三号运载火箭第3级动力。

  

YF-75: 真空推力8吨,真空比冲438秒。1994年首发,用于长征3号甲、长征3号乙及长征3号丙运载火箭第3级。其改型YF-75D于2006年开始研制,2014年进入验收阶段,准备用于长征5号的二级动力。

  

YF-77:真空推力约70吨,真空比冲约430秒,发动机500秒长程热试车已经成功,准备用于长征5号的芯一级动力。

  

YF-77,也是今年长征5号发射的一大看点。笔者以为,这甚至是今年长征系列新箭发射最值得关注的一点。

  

为什么呢?

  

首先,氢氧发动机的研制,一直是中国液体发动机最大的一个短板。中国到现在,真正成熟的产品也就是8吨级的YF-75。长征5号将要用在芯一级的这款YF77,在推力指标上相当于YF-75的9倍,技术进步有跨代之感,自然值得关注。

  

另一方面,也许正是因为这样大幅度的进步,YF-77从2001年立项历经十年研制,进程坎坷不断。2004年6月18日首次全系统试车。

  

2007年就先后四次500秒长程试车失败,官方评论为“国内外都罕见的重大技术障碍”、“缺乏大推力氢氧发动机的研制和工程经验,其研制难度(比YF-100)要大得多”。

  

一直到2012年8月17日500秒长程热试车试验成功,YF-77发动机的关键技术才获得艰难突破,此时距离立项已经过去11年,而此时累计试车只有22000秒,比同类发动机40000-60000秒的试车时间差的很远。

  

该型发动机在十余年的研制过程中,全面突破的关键核心技术达12个大项、200多个小项。足见其研发之路的艰辛程度,如何不令人格外关注。

  

对比之下,几乎同时立项研发的YF-100液氧/煤油发动机,2006年已经成功进行首次600秒长程试车(所需额定工作时间只有150秒)。

  

2011年9月,以3台发动机验收成功为标志,六院已经研制120吨级基本型液氧煤油发动机数十台,累计试车超过32000秒。截至2013年8月,YF-100试车已超过上百次,累计点火工作时间已超过40000秒。

  

YF-100的顺利研制,使得六院曾经认为2014年长征5号可以首发,结果至今却延宕了2年。直到2015年3月23日,YF-77作为长征5号芯一级动力系统第二次试车成功,才让研制方松了一口气。

  

因为唯有如此,长征5号才能转入发射场合练走向首飞。因此,网上曾经诟病YF-100不给力造成长5的2014年首发打脸。其实,是开发进度不稳定的YF-77拖了长5首发全状态达标的后腿,才是真的。

  

还没上天的YF-77,其70吨的真空推力虽然已经比YF-75几乎高了一个数量级,但与国际主流液氢/液氧发动机相比,还是有巨大差距。比如,

  

日本H-IIA/B火箭上LE-7A的真空推力112吨;

  

欧洲阿丽亚娜5的火神2 (Vulcain2)的真空推力137吨;

  

苏联1980年代研制成功150吨级的RD-0120液氢液氧发动机;

  

2000年代研制成功200吨级的RD-10120液氢液氧发动机

  

美国1960年达研制百吨级的J2氢氧发动机

  

用于美国航天飞机的SSME氢氧发动机推力达到了213吨

  

2002年首发的美国德尔塔4火箭的RS-68的真空推力344吨

  

用于登陆火星的SLS火箭动力RS-25发动机,在2015年已经进行了500

  

秒和650秒长程点火试验,预计2018-2020年发射。

  

就连军迷们一直不屑一顾的阿三,也在这方面的实际应用上暂时领先中国。2014年1月5日,印度空间组织在安得拉邦航天中心成功发射GSLV-D5运载火箭。

  

该火箭的第三级首次成功应用了印度国产氢氧火箭发动机CE-20,使印度成为美、俄、欧、日、中之后,世界第六个具备低温火箭发动机技术的国家。而且印度的氢氧发动机首次出手就很有档次,其推力达到了20吨,超过中国8吨级的YF-75一倍还多。

  

那么,人们不禁要问,除了70吨级的YF-77,中国还有没有更大的液氢/液氧发动机呢?

  

中国重型液氢/液氧发动机规划

  

根据中国航天科技集团《2011年度社会责任报告》,中国未来将发展重型液氢液氧发动机:即推力200吨级,真空推力为2460千牛、真空比冲为425秒的液体发动机。该型发动机预计2030年将用于长征9号重型运载火箭的二级级动力。

  

其技术难点如下:

  

1 大推力发动机高空点火与启动技术:需要合理分配发动起起动能量,安全可靠点火,平稳快速进入额定工况。如果点火和起动不当,会出现爆轰、压力峰甚至起动失败。需要进行理论与仿真计算、真空点火试验。

  

点评:液体发动机能够灵活多次点火起动,是对固体发动机的主要优势之一(有些小型脉冲式液体发动机甚至可以开关机25万次以上)。这有利于航天器推力-时间曲线的有效控制,对姿态和轨道调整是必须的,也是未来深空探测和载人航天技术的重要一环。

  

但是液体发动机的点火时间比较长,有的甚至达到几秒钟。氢氧低温发动机起动时,还要先用液氢降温预冷,达到工作状态后才能真正点火。点火之后,在零点几秒内,发动机从0转速加速到每秒几万转。

  

燃烧组件从环境温度达到3000-4000℃,起动过程的每个指令都必须精确到百分之几秒,甚至千分之几秒。而且非自燃推进剂还一个单独的点火系统,比如不容易点燃却容易爆炸的液氧/甲烷发动机,点火系统堪称其核心技术。

  

2 发动机结构动力学优化技术:确保发动机结构频率和动态刚度要求,且布局合理、结构紧凑、维护性好。需要数字仿真技术并设置高压液路补偿措施。

  

点评:200吨级发动机的结构,不是70吨级的简单放大。推进剂和燃料的混合比调节装置、补偿液路的管路布局等,大尺寸发动机振动控制和应力控制,都为结构力学优化设计带来了不小的难度。

  

3 大热流、高效、稳定燃烧推力室技术:需采用多种综合技术措施抑制高频不稳定燃烧。需在身部与喷管上段再生冷却、喷管下段引入燃气冷却和辐射冷却相结合的方案,保证发动机可靠工作。

  

点评:推力室由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成,火箭推进剂通过喷注器注入燃烧室,经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物,以高速2500-5000米/秒的高速从喷管中冲出而产生推力。

  

高频横向不稳定燃烧(和低频纵向不稳定燃烧)是推力室正常工况的大敌,控制难度较大。而推力室中的燃烧室,内压力可达20MPa,温度为3000-4000℃。因此有效冷却是推力室持续工作的要求。这两点是推力室技术的要害。

  

4 超大尺寸、高效、轻质喷管技术:大面积比喷管延伸段出口直径大,是世界上尺寸最大的氢氧发动机喷管(原文如此)。采用分段设计和制造技术,分为轻质合金再生冷却和超大尺寸单壁涡轮排气冷却两段。

  

点评:这样的分段设计提高了冷却效率和降低了生产加工难度。但对喷管的应力控制和结构强度可能会产生不利的影响。如果分段的材料性质有差异,更需要注意温度变化带来的影响。

  

5 低温、高效高抗汽蚀涡轮泵技术:泵入口压力低、效率高、转速高、温度低。采用高抗汽蚀诱导轮和新型低温、低泄漏组合式动密封技术,提高涡轮泵性能。

  

点评:涡轮泵由气体涡轮、燃料泵和氧化剂泵等组成。由涡轮带动泵,将来自贮箱的推进剂的压力由不足1兆帕提高到20兆帕,然后再送入发动机推力室。高性能涡轮泵可以将海水从海平面打到5000米高。据说YF-77就曾因为涡轮泵的质量问题影响了研制进度。高性能涡轮泵是液体发动机研制的核心技术之一。

  

6 制造与试验技术:大尺寸银锆铜饼材料与成型、高DN值混合陶瓷球轴承制造、高强度涡轮盘、大尺寸复杂结构钛合金和高温合金精密铸造、增强型钛合金异型材成型、高强度大尺寸特征合金薄壁管等新材料新工艺技术亟需攻关。需要发展高空模拟实验技术、试验台基础设施和火焰导流防护技术。

  

点评:材料、设备、工艺、试验……道道难关,层出不穷,这就是考验中国航天工业基础功力的型号,其意义非同一般。

  

看看这些不明觉厉的高大上技术难题,回过头来,客观地说,如果应用YF-77的长征5号以及后续火箭发射顺利,将证明中国已经跨过了大型液氢/液氧发动机研制的初级门槛。虽然前路遥远,但可以为14年后的200吨级氢氧机首发打下一定的技术基础。

  

反之,如果遇到发射问题,或者即使发射成功但技术状态不稳定,则氢氧发动机的这块短板,就将还是压在中国航天人心头的一座大山。


(作者:兵器迷的天空)
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