液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)一種發(fā)動(dòng)機(jī)01背景介紹火箭運(yùn)載能力發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介優(yōu)勢(shì)目錄03020405試車(chē)國(guó)外重復(fù)使用前景目錄070608基本信息液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，指的是新一代大推力120噸液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，為第六研究院點(diǎn)火熱試車(chē)獲得圓滿成功。最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，其推力比現(xiàn)有“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高60%以上，運(yùn)載能力是原來(lái)的3倍左右。性能方面有大幅度提高。運(yùn)載能力也提升到了25噸（現(xiàn)有的只有9噸）同時(shí)液氧和煤油都是環(huán)保燃料，沒(méi)有污染。長(zhǎng)征5號(hào)已于2016年11月3日首飛成功，也希望中國(guó)的太空站早日建成。中國(guó)重型火箭500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)2018年可完成工程樣機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和裝配。2022年9月，中國(guó)航天科技集團(tuán)六院西安航天動(dòng)力研究所自主研制的某型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。11月26日，航天科技集團(tuán)六院自主研制的130噸級(jí)重復(fù)使用液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)兩次起動(dòng)試車(chē)取得圓滿成功。背景介紹背景介紹正當(dāng)中國(guó)運(yùn)動(dòng)員在倫敦奧運(yùn)賽場(chǎng)摘金奪銀時(shí)，陜西的群山之間2012年7月29日也傳出捷報(bào)：國(guó)產(chǎn)新一代大推力120噸液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火熱試車(chē)再獲成功。這款YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，將是國(guó)產(chǎn)新一代長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的主要“心臟”，而未來(lái)的國(guó)產(chǎn)空間站核心艙段、以及要降落月球取樣并返回的嫦娥五號(hào)衛(wèi)星等，都將由長(zhǎng)征五號(hào)送入太空。隨著該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，中國(guó)航天朝著新階段又邁出了堅(jiān)實(shí)一步。其實(shí)早在這次試車(chē)之前，國(guó)防科工局已于2012年6月完成了對(duì)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目驗(yàn)收。這次試車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，此前已經(jīng)儲(chǔ)存了3年，并經(jīng)歷過(guò)兩次極限工況試車(chē)考驗(yàn)。媒體報(bào)道稱，這標(biāo)志著我國(guó)成為繼蘇聯(lián)/俄羅斯之后，第二個(gè)完全掌握“液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)”的國(guó)家。

發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介“在新一代運(yùn)載火箭液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研制初期，失敗與挫折是家常便飯。發(fā)展航天，動(dòng)力先行。從某種程度來(lái)說(shuō)，人類(lèi)探索太空的能力，取決于航天發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。新發(fā)動(dòng)機(jī)將作為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的動(dòng)力系統(tǒng)，裝備長(zhǎng)征五號(hào)、六號(hào)、七號(hào)運(yùn)載火箭，為載人航天、月球探測(cè)等國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)提供動(dòng)力保障。以推舉神舟九號(hào)與天宮一號(hào)圓滿完成載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭為代表的我國(guó)現(xiàn)役長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，雖已取得舉世矚目的成績(jī)，但其推力已經(jīng)不能滿足未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展的需求，研制新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)顯得格外迫切。國(guó)家國(guó)防科工局剛剛完成了對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)成為繼俄羅斯之后第二個(gè)完全掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的國(guó)家。這臺(tái)儲(chǔ)存了3年、此前已經(jīng)歷過(guò)兩次極限工況熱試車(chē)考驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在又一次的挑戰(zhàn)極限考驗(yàn)中表現(xiàn)完美。這也表明中國(guó)航天動(dòng)力正在經(jīng)歷新舊更迭，將大大加快我國(guó)由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的步伐。2000年國(guó)家正式立項(xiàng)進(jìn)入工程研制至今的12年間，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已先后進(jìn)行了百余次試車(chē)。從研制高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始，已突破80余項(xiàng)關(guān)鍵和核心技術(shù)，先后研制出3種基本型發(fā)動(dòng)機(jī)，以及5種適應(yīng)不同火箭總體飛行狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

火箭運(yùn)載能力火箭運(yùn)載能力現(xiàn)階段使用的發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)推力是70噸左右，火箭的運(yùn)載能力9噸上下。120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，其推力比我國(guó)現(xiàn)有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高60%以上，運(yùn)載能力是原來(lái)3倍左右，不僅采用的推進(jìn)劑、循環(huán)方式與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，在最高壓力、渦輪功率、推進(jìn)劑流量等設(shè)計(jì)參數(shù)上，也比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)高出數(shù)倍，在推力噸位、性能方面有大幅度提高。與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還具備諸多的優(yōu)點(diǎn)：一、推力大。二、沒(méi)有污染，液氧和煤油都是環(huán)保燃料，而且易于存貯和運(yùn)輸。三、經(jīng)濟(jì)，比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑便宜60%。四、可靠性高。五、可重復(fù)使用。

優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)汽車(chē)、飛機(jī)、輪船的發(fā)動(dòng)機(jī)，工作不僅要有燃料，還離不開(kāi)氧氣的助燃。而運(yùn)載火箭要克服地心引力飛向太空，升空加速比飛機(jī)還要快得多，燃料作功的效率也必須非常高，還得在超高空乃至外太空中工作，靠大氣中的氧氣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此火箭在燃料之外，還要自帶氧化劑，火箭大部分的體積、重量都是由這兩樣占著。液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是以液態(tài)氧為氧化劑，煤油為燃燒劑（燃料）的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。采用這一方式的YF-100與以往的長(zhǎng)征火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，效能提高了15—20%，可大大減少燃料攜帶，減少火箭的重量和體積；煤油價(jià)格較低，每次發(fā)射可節(jié)省1000多萬(wàn)元；煤油與液氧都沒(méi)有毒，燃燒也只生成水和二氧化碳，不像以往的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生劇毒污染。補(bǔ)燃循環(huán)則是發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)中的一種，原理是燃?xì)饨?jīng)渦輪作功后還會(huì)進(jìn)入燃燒室，進(jìn)行二次燃燒（補(bǔ)燃），從而更充分地釋放能量。補(bǔ)燃循環(huán)比另一種循環(huán)方式——發(fā)生器循環(huán)的效率更高，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。此外媒體報(bào)道YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)可以“重復(fù)使用”，其實(shí)主要是指在臺(tái)架試驗(yàn)階段可以進(jìn)行多次試車(chē)，并非發(fā)射后回收。僅此一項(xiàng)，仍足以大幅減少研制成本。

試車(chē)試車(chē)2014年8月，我國(guó)首臺(tái)貯存5年的120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，圓滿完成100秒額定工況試車(chē)考核，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)一步得到考核。2022年2月消息，我國(guó)18噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)雙機(jī)并聯(lián)二次啟動(dòng)首次試車(chē)獲得圓滿成功。

2022年12月10日，航天科技集團(tuán)六院130噸級(jí)泵后擺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)完成不下臺(tái)第4次累計(jì)2100秒試車(chē)，單臺(tái)累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)超8倍任務(wù)時(shí)間，刷新了我國(guó)百噸級(jí)系列液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)最長(zhǎng)試車(chē)記錄，驗(yàn)證取得圓滿成功。

2023年1月5日，位于西安的航天科技集團(tuán)六院165所，完成一次120噸級(jí)大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)，此次試車(chē)持續(xù)50秒。經(jīng)數(shù)據(jù)判讀，發(fā)動(dòng)機(jī)性能滿足要求，將交付執(zhí)行2023年發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征七號(hào)改火箭。

意義標(biāo)志著120噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)向滿足火箭全任務(wù)剖面使用維護(hù)適應(yīng)性邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2022年11月5日，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院自主研制的500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和80噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)首次整機(jī)試車(chē)取得圓滿成功。

重復(fù)使用重復(fù)使用2022年9月，中國(guó)航天科技集團(tuán)六院西安航天動(dòng)力研究所自主研制的某型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。該型發(fā)動(dòng)機(jī)作為某飛行器主動(dòng)力裝置參加首飛試驗(yàn)后，經(jīng)檢驗(yàn)維護(hù)，順利完成了重復(fù)飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用。

國(guó)外國(guó)外航天活動(dòng)需要先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，載人航天等重大航天活動(dòng)更需要高可靠性、高安全性、高性能、低使用成本的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。上世紀(jì)五十年代末，蘇聯(lián)研制了RD-107、RD-108和RD-0110液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于東方號(hào)、聯(lián)盟號(hào)等運(yùn)載火箭，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)載人航天的歷史，聯(lián)盟號(hào)火箭至今依然是載人航天的主要運(yùn)載工具。六十年代，美國(guó)研制了推力6900kN的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了載人登月的偉大壯舉。同時(shí)期，蘇聯(lián)研制了推力1500kN的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于N-1載人登月火箭。八十年代，美國(guó)研制了航天飛機(jī)及其大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)和SSME氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，支撐了美國(guó)三十年的載人航天。與此同時(shí)，蘇聯(lián)研制了RD-170液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，用于能源號(hào)運(yùn)載火箭。蘇聯(lián)解體后，能源運(yùn)載火箭停止使用，但是以RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的航天動(dòng)力技術(shù)使俄羅斯保持著航天大國(guó)的地位。主要型號(hào)有RD-170、RD-253、RD-171、RD-180、RD-191等等。此外還有美國(guó)的H-1、Kestrel、RS-27A以及英國(guó)BlueStreakRZ2液體發(fā)動(dòng)機(jī)等。2011年，因使用、維護(hù)費(fèi)用過(guò)高等問(wèn)題，美國(guó)將航天飛機(jī)退役，并開(kāi)始研制新的重型運(yùn)載火箭SLS。動(dòng)力方面，SLS近期采用現(xiàn)有的固體助推級(jí)和液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，并同步啟動(dòng)了大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制，將F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為推力8000kN的F-1B發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)始研制推力4450kN的AJ-1-E6液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃在2023年后優(yōu)化SLS運(yùn)載火箭動(dòng)力結(jié)構(gòu)。近年來(lái)美國(guó)SpaceX公司的獵鷹9、軌道科學(xué)公司的阿塔瑞斯運(yùn)載火箭分別發(fā)射了龍飛船和天鵝座飛船，用于國(guó)際空間站補(bǔ)給。獵鷹9火箭采用Mer-lin液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，阿塔瑞斯火箭采用俄羅斯的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。前景前景將以YF-100為“心臟”的長(zhǎng)征五號(hào)火箭，是中國(guó)自主研發(fā)的新一代運(yùn)載火箭。它使用模塊化、系列化設(shè)計(jì)，力圖提高可靠性，降低發(fā)射成本，能滿足多樣化的航天發(fā)射需求。與以往的長(zhǎng)征系列火箭相比，長(zhǎng)征五號(hào)的芯級(jí)直徑首次增至5米，使用2臺(tái)真空推力70噸的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；外部捆綁總計(jì)4個(gè)3.35米或2.25米直徑的助推器，分別使用2臺(tái)或1臺(tái)真空推力120噸的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。如使用推力最大的組合方式，長(zhǎng)征五號(hào)火箭將裝備4個(gè)3.35米直徑助推模塊，8臺(tái)YF-100和2臺(tái)YF-77的總推力可達(dá)1100噸，能把25噸載荷送入近地軌道（LEO），而發(fā)射“神舟”和“天宮”的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭只有7.8噸；能把14噸的有效載荷送入公里高的地球同步軌道（GTO），是長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭的近3倍。尤其是近地軌道運(yùn)力，將超過(guò)同級(jí)的歐空局“阿里安”5、日本H-2A/B和美國(guó)的“宇宙神”5。按中國(guó)載人航天“三步走”計(jì)劃