液氧煤油发动机 (发动机)

液氧煤油发动机,指的是新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机,为第六研究院点火热试车获得圆满成功。最先进的高压补燃循环系统,其推力比现有“长征”系列运载火箭发动机提高60%以上,运载能力是原来的3倍左右。性能方面有大幅度提高。运载能力也提升到了25吨(现有的只有 9 吨)同时液氧和煤油都是环保燃料,没有污染。长征5号已于2016年11月3日首飞成功,也希望中国的太空站早日建成。中国重型火箭500吨级液氧煤油发动机2018年可完成工程样机的整机生产和装配。

1背景

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正当中国运动员在伦敦奥运赛场摘金夺银时,陕西的群山之间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,中国航天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“液氧煤油高压补燃循环液体发动机核心技术”的国家。 

2发动机简介

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“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、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。 

3火箭运载能力

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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。 

4优势

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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。

5试车

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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。

我国首台120吨推力二级火箭发动机热试成功

2018年7月17日从中国航天科技集团六院获悉,该院研制的我国首台大推力、高性能液氧煤油高空发动机,日前成功实施首次整机热试车。

据悉,这是我国首型大推力、高性能液氧煤油高空发动机,推力可达120吨,用于运载火箭芯二级。相比现役75吨级液氧煤油发动机,其未来将用于运载能力更强的火箭型号。

由于突破并采用了多项创新技术,该型发动机性能及固有可靠性显着提升。在其研制过程中,六院11所研究设计团队开展了高空泵后摆发动机的设计工作。相比传统发动机的整体摆动,泵后摆技术将摇摆装置后置,局部摇摆,能减少发动机的体积。节省出来的空间可为运载火箭并联更多发动机提供可能,从而实现更大推力。

6意义

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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。

7国外

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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、RD-191等等。此外还有美国的H-1、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,SLS 近期采用现有的固体助推级和液氧液氢发动机,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/偏二甲肼发动机为动力,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 [5-6]  。

8前景

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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。

参考资料

[添加]
[1].我国首台120吨推力二级火箭发动机热试成功

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  • 更新时间:2018-07-18
  • 创建者:张三的张521
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