被噴不如美國70年前?長征9號YF-79末級25噸火箭發動機真的差嗎?

2022-09-08     彧蔚

原標題:被噴不如美國70年前?長征9號YF-79末級25噸火箭發動機真的差嗎?

9月5日,中國航天科技集團發布消息稱,專為長征9號超重型運載火箭,自主研製的末級YF-79閉式膨脹循環氫氧發動機在京成功試車,這不僅標誌著長征9號三級液體火箭動力中,推力最小、技術難度卻最高的閉式膨脹循環氫氧火箭發動機,我國終於啃下了這塊硬骨頭,同時也標誌著我國已經成功研製出世界上推力最大的閉式膨脹循環氫氧火箭發動機。

的確看到這個消息我想每個中國人內心都是激動的,都是激情澎湃的,畢竟在中美兩國先後宣布實施載人登月計劃後,眼下美國的SLS登月火箭在前幾日都已經矗立在發射台,在經歷兩次發射暫停後,仍然計劃10月中旬發射。

而作為對比,我國同樣用於實施載人登月的運載火箭中,不管是起飛重量更大的長征9號超重型運載火箭,還是技術難度更低的921載人登月火箭,現階段仍然沒有看到任何準備首飛的消息。

所以在官方公布我國成功完成長征9號核心動力中,技術難度最大的YF-79氫氧閉式膨脹循環液體火箭發動機熱試車後,也意味著距離長征9號首飛的時間越來越近了。因為此前官方就已經公布過長征9號一級的YF-130型480噸級液氧煤油火箭發動機和二級的YF-90氫氧火箭發動機都已經研製成功,在等新的專用試車台竣工。

但是在官方公布這一消息後,雖然在底下的評論很多都是稱讚,但仍然有不少網友,不知道是見不得我國的航天實力進步、還是見不得自己好?明明官方都已經表明此次試車成功的YF-79氫氧火箭發動機,是世界上推力最大的閉式膨脹循環氫氧火箭發動機了,但某些人卻說:加油!差一點就趕上RL10A-3C,也就是美國70年前的水平了。就連日本的氫氧發動機都100噸了,中國還在25噸有些落後哦。那也就是說:我們的YF-79還不如美國70年前的RL-10系列氫氧火箭發動機,更不如日本100噸級的氫氧火箭發動機了,難道真的是這樣嗎?

首先來了解一下這個所謂的RL10A系列氫氧火箭發動機,這款發動機冷戰時期,美蘇太空爭霸時期,美國專為土星五號超重型登月火箭而研製的,被用於火箭第二級,當時安裝了6台。因為該發動機具有比沖高、推力大、且具備多次點火的能力,所以在土星五號退役後,經過改進升級後仍然被用於包括半人馬座上面級、德爾塔4上面、乃至最新準備發射的SLS超重型登月火箭上面級都有採用RL10系列液體火箭發動機。

其實從性能表現來說的話,我國剛剛熱試車成功的YF-79火箭發動機,無論是循環模式、還是最大輸出推力都要比全球範圍內、已知任何一款氫氧火箭發動機先進的多,包括美國的RL10A在內。具體來說的話,首先從循環模式來說,液體火箭發動機要想產生更大推力輸出,就要在單位時間內混合兩種不同的液體燃料,然後產生更強的推力輸出。但液體燃料依靠重力顯然無法快速進入燃燒室混合燃燒,所以就出現了最早的擠壓循環模式,就是在燃料箱中增加高壓氣體,使得燃料被擠壓進燃燒室,但這種模式雖然結構簡單,但混合速率有限,實際推力並不大。

所以就出現了燃氣發生器結構的開式循環模式,就是先讓兩種燃料在預燃室小流量混合燃燒產生高溫燃氣,然後讓高溫燃氣推動渦輪泵,繼而將兩種燃料泵壓後進入燃燒室,產生更大的推力輸出,像美國獵鷹9火箭的梅林系列就是典型的燃氣發生器結構的開式循環模式。

開式循環雖然結構簡單,但用於推動渦輪泵旋轉的高溫燃氣被白白浪費,也會造成推力損失。那如果將推動渦輪泵旋轉後的高溫燃氣繼續送入燃燒室進行二次燃燒,不光能夠降低推力損失,而且還能增加推力輸出,這種循環模式就叫閉式循環、也就高壓補燃、分級燃燒循環模式。

這種閉式循環模式雖然推力大,但是缺點也不小,因為渦輪泵是通過高溫燃氣高速轉動的,那為了保護渦輪泵葉不被高溫燃氣燒蝕,就要採用富氧或富燃燃燒模式,也就是要麼多泵入液氧、要麼多泵入燃料以此來降低燃燒溫度,繼而保護渦輪泵正常工作。多泵入液氧就會因為過高的溫度燒蝕渦輪泵、甚至直接結構件高溫熔化而爆炸,所以大部分液體火箭發動機仍然採用的是富燃燃燒模式,也就是多泵入燃料來產生更大推力。但這種循環模式對於液氧煤油火箭發動機並不友好,因為多泵入煤油燃料的話,就會因為煤油在高溫下結焦而堵塞燃料噴管,所以就只能採用富氧燃燒模式(蘇聯自己發現了含硫量很低的煤油油田,所以其研製的RD170/171、RD180液氧煤油火箭發動機仍然推力可以很大)。

但對於其他國家而言,因為自己沒有含硫量很低的煤油可用,所以只能採用富氧燃燒模式,但富氧燃燒會存在兩個問題,一個是氧氣密度很低,無法和燃燒使用同一個渦輪泵體,只能設置雙腔室結構,就會造成結構複雜、重量大,可靠性降低,同時氧氣一旦發生泄露,就會直接爆炸。

到現在最新、也是循環效率最高的就是全流量分級燃燒循環,也就是單獨設計兩個燃燒室,一個用燃料驅動、一個用液氧驅動,這樣兩種渦輪泵可以工作在各自最佳轉速下,同時相互獨立結構也使得其不會輕易發生燃料泄露問題,當然唯一缺點就是技術難度非常大、且結構非常複雜,所以現階段只有SpaceX最新研製的猛禽液氧甲烷火箭發動機成功(但燃料只能是甲烷和液氧)。

而我國的YF-79氫氧閉式循環膨脹火箭發動機,工作原理簡單來說就是:全部液氫由氫泵加壓進入燃燒室壁結構再生冷卻加熱成氣態氫,然後推動渦輪旋轉後進入燃燒室作為燃料。因為推動渦輪的動力來自於氫加熱後的高溫膨脹氣體,所以這個方式被稱為膨脹循環。渦輪泵與氫泵直接連接,同時通過一個減速齒輪結構驅動氧泵,液氧則通過氧泵加壓後直接進入燃燒室。驅動完渦輪泵旋轉後的高溫膨脹氣體最後進入燃燒室進行二次燃燒,不會造成推力損失,所以也被稱為閉式循環,而這種同時集成了膨脹循環、閉式循壞的YF-79也被稱為閉式膨脹循環氫氧火箭發動機。

最後就是YF-79真的不如美國的RL10A系列發動機、以及日本嗎?

其實RL-10在上世紀60年代開始應用時,其最大推力輸出只有67千牛,也就是不到7噸的推力輸出,一直到去年最新改進版本的RL10C1-1才通過延長噴管等方式,將最大推力提升到了106千牛,也就是10噸推力。同時得益於噴管的延長,也使得其比沖從之前的425秒提升到了453.8秒。

而我國最新熱試車成功的YF-79液氧火箭發動機,目前公布的推力輸出是250千牛,最大比沖是455.2秒,光是這兩項數據就已經超越包括RL10C1-1火箭發動機了,畢竟推力250千牛已經是美國RL10C1-1的2.5倍,比沖更是比後者高一些。特別是需要注意的是,這次熱試車成功的YF-79並沒有使用二級延伸噴管,如果加上二級延伸噴管的話,推力和比沖還會有小幅度提升。

其實美國在航天發展歷程中,也想研製推力更大的閉式循環膨脹火箭發動機,這就是美國普惠早在上世紀90年代就開始研製的27噸級RL-60氫氧火箭發動機,這款發動機據稱最大推力高達27噸,最大比沖高達456秒。但是時至今日根據普惠公布的數據來看,這款發動機仍然因為技術故障而無法出現。

所以美國只能在包括最新的SLS超重型登月火箭上一直使用RL10系列火箭發動機。當然用得歷史悠久、並不代表這款發動機的性能就依然先進,或許只是這款發動機的推力依然能夠滿足美國一直以來的航天發射需求,同時研製、試驗一款氫氧火箭發動機,無論是從研發成本、技術難度、還是試驗周期來說,至少都要10年以上,所以這或許也是RL10A氫氧火箭發動機,從1963年被首次應用以來,一直沿用至今的核心原因。

至於日本的100噸級氫氧火箭發動機,指的就是安裝在H2B運載火箭上的LE-5A氫氧火箭發動機,這款發動機的確海平面推力高達140噸級,而且使用的也是液氫液氧燃料,是比我國最新研製的YF-79大得多,但這款發動機使用的是循環模式最為簡單的開式循環模式,雖然推力大,但推力損失大、比沖也很小,比如其雖然使用的是理論上比沖最大的氫氧燃料,但實際比沖只有447秒,而我國的YF79最大比沖高達455.2秒,後期正式安裝發射時,配套上延伸噴管,推力和比沖還能更進一步提升,所以官方說YF-79是世界上推力最大、性能最先進的閉式膨脹循環氫氧火箭發動機,是有事實依據的。

文章來源: https://twgreatdaily.com/400f6b0a7843f02a7e9d245ade5ecdee.html