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发动机推力排名,中国火箭发动机排名垫底,原因没有那么简单

互联网 2021-03-07 09:50:51

3月10日0时28分,巨大的轰鸣声响彻大凉山,长征3号乙运载火箭托举着中星6C卫星从西昌卫星发射中心腾空而起,随后卫星成功进入预定轨道。这一刻,中国长征系列运载火箭的发射次数正式刷新为“300”。长征系列运载火箭成功实现300次飞行,是中国航天发展历程中的重要历史节点。这是中国航天事业由量变向质变发展的新起点,也是中国从航天大国向航天强国迈进的重要里程碑。

然而,在取得这些令人瞩目成就的同时,我们仍要看到落后与不足。自我们有记忆以来,各式各样的发动机成为了诸多尖端领域的“心痛”,火箭发动机也不例外。不得不承认,在火箭发动机性能的对比中,尤其是代表高技术的液态发动机,中国火箭发动机仍落后美俄不少,甚至日本、印度在某些单项技术都会领先中国。

我们不能因此苛责航天人的努力,因为他们已经在有限的条件下做到了极致,然而差距的弥补与赶超,仍需要所有相关行业共同努力。

世界航天史上的著名火箭发动机

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美国执行阿波罗登月计划时使用的土星-5号运载火箭所采用的F1发动机是首屈一指的,半个世纪前,该发动机的地面推力就达到了惊人的690吨。

众所周知,载人航天对火箭推力要求很高。而F1发动机作为有史以来人类制造的推力最大的单燃烧室液体火箭发动机,着实领先很多。

前苏联能源号火箭使用的RD-170发动机,作为人类历史上最大推力火箭发动机,单台地面推力达到惊人的800吨(也有人认为它是四台发动机并联,但共享燃气发生器和涡轮泵),甚至超过F1发动机,一台发动机就几乎相当于中国长征系列采用的火箭发动机如YF-20B的十台以上。

苏联80年代中期砸钱发展航空,前后花费超过50亿美元,完成了惰性合金的研制,以及和废气补燃技术,这台划时代的超级发动机衍生型号RD-180(相当于把RD170一分为二)同时也被美国人重用,17年间用这个发射了71次火箭,仅出现一次故障。

随着科技的不断进步,上述惊世骇俗的液氧煤油发动机已经逐渐退出了主流,而取而代之的则是氢氧火箭发动机。目前最强型号是把美国德尔塔4型重型火箭送去火星的RS-68火箭发动机,地面推力达到了290吨。

除此之外,美国186吨推力的SSME发动机,欧洲空间局的阿里亚纳-5火箭,装备地面推力130吨的火神氢氧发动机,和日本H-2A火箭,使用地面推力达117吨的LE-7氢氧发动机。

中国在役火箭发动机

中国目前使用的推力最大的火箭发动机是YF-100与YF-77。 YF-100发动机,是新一代液氧/煤油发动机,地面推力达到120吨。长征5号芯级周围捆绑有4个3.35米直径助推模块,每个模块上安装两台YF-100发动机。也就是说,长征5号在起飞阶段时,8台YF-100发动机,共提供960吨的推力,这个推力占长征5号总起飞推力的90%以上。另10%的起飞推力,由芯一级的两台YF-77提供。YF-77是液氧/液氢发动机,其单台地面推力仅50吨!可以说,面对如此多体量巨大的前辈,中国在火箭发动机领域还只是小弟。有网友调侃:“其实万户当年飞天就是因为国产发动机不行才失败的。”

运载火箭的性能,主要由其所采用的发动机决定。我们必须看到,几十年前美俄就已经研制并成功使用了推力远大于我们的火箭发动机,在液氧/液氢发动机领域,早在1970年代末,美国就为航天飞机研制了单台地面推力219吨的主发动机,每架航天飞机的轨道器上,安装有3台这种发动机。在航天飞机退役后,美国人又研发出单台地面推力为290吨、真空推力344吨的RS68发动机……

长征五号总体布局

1990年到2010年之间,中国将有限的航天资金,主要集中用在载人航天(神舟和天宫系列)与探月工程项目上,具体到运载火箭分系统的研制上,中国主要是集中精力提高老旧型号长征2/3号液体火箭的推力与安全性,或者说,为了将人送入太空,中国所做的主要工作,就是对老旧型号的长征2/3系列火箭进行改进、再改进……且这些老旧型号火箭的起飞发动机,使用的是偏二甲肼和四氧化二氮这类有毒推进剂。

在这20年里,中国没有推出过大推力的新型火箭发动机。而在这20年里,美俄两国的运载火箭技术继续保持优势,日本和欧盟的运载火箭技术进步也很大,甚至印度,也在运载火箭的某些单项技术方面,超过了中国。

但有一点必须强调的是,中国在发动机技术并不先进的情况下,却开发出运载能力不亚于美俄欧日同级别大推力火箭的长征5号火箭,这是一件值得全体中国人高兴的事。这表明,在运载火箭的顶层设计及系统集成方面,中国已达到世界一流水平。如果中国能搞出技术更先进、推力更大的发动机,中国的运载火箭设计师就有能力、有实力开发出领先美俄欧日的重型运载火箭。

值得庆幸的是,中国已意识到自己在大推力火箭发动机研制方面的落后,正着手研制单台推力达500吨的液氧煤油机及单台推力为200吨的氢氧机,这两型发动机,将是中国下一代重型火箭长征9号的主力发动机。

除了技术,还有需求和成本

其实我们不难发现,冷战结束后,耗资巨大而意义有限的航天逐渐走向经济型航天,美国虽然上世纪70年代就完成了登月,此后甚至一度多年依靠苏联的运载火箭将自己的宇航员送入国际空间站。

当然,美国航天依赖俄制火箭,主要并非技术原因。之前的火箭基本属于一次性设备,成本控制是个很大的问题。冷战结束后,美国航天部门的预算大幅缩减,急需一款性能稳定且价格便宜的火箭发动机。从价格上来看, RD-180发动机大致相当于1000万美元一台,而美国航空喷气公司提出的LOX AR-1型火箭发动机方案,单台LOX AR-1型火箭发动机的报价就是2500万美元,还没有分摊美国10亿美元的研发费用,成本超过进口俄罗斯的两倍还要多。因此,RD-180发动机的低价格成为美国火箭发动机无法比拟的优势。

我国并没有着急研制推力动辄上百吨的火箭发动机,并非技术难以逾越,而是在航天其他技术相对更为落后的情况下,让资源能够最大限度发挥效用的有效博弈。实际上,世界上其他国家,也在走这样的道路。

例如印度的PSLV火箭,50吨级推力,近地轨道3.25吨。不要说比长征5号的LEO(近地轨道)25吨运载能力,就是比长2F的LEO9吨,也是小巫见大巫啊。可就是这样一枚连网友们都不拿正眼看的极地卫星火箭,在2013年11月5日,将印度首个月火星探测器发射升空,亚洲第一。这样低的成本,这样低的技术,这样高的效益。同在亚洲超过印度几个身位的日本、中国,其实很值得反思。

美国民营航天公司SpaceX的猎鹰9运载火箭,近地轨道LEO22.8吨;地球同步转换轨道GTO8.3吨。一级9台50吨级的煤油机Merlin发动机并联,开式循环。设计极致简约,与分级循环高压补燃什么的高技术完全绝缘。长径比达到让人惊讶的19,干质比超过25,完全突破行业经验值。公司CEO马斯克称造价只有1600万美元,发射价格5400-6200万美元,比俄罗斯质子号的7000万-1亿美元要便宜很多。完全一副经济实用型的样子,业界评价是“将改变商业发射规则”。

猎鹰9号搭载的载人龙飞船

当然,中国也在搞低成本发射,主要是小卫星领域。比如长征6号,基本型700千米高度国内测控太阳同步轨道SSO运载能力将达到0.7吨(全球测控1吨)。发展型长6A的SSO轨道的运载能力提高到4吨左右,通吃中小LEO轨道和SSO轨道发射市场。一个小型煤油机火箭的改型,就会让高大上的中型机长征7号很不舒服。为什么?成本低啊。

不过,螳螂捕蝉黄雀在后,长6盯着长7的地盘,长11还盯着长6的饭碗呢。长7首发5天后的2015年9月25日,中国固体小型火箭长征11号一箭四星荣耀首发,700KM轨道达350kg。350公斤,别嫌小啊, 未来小卫星、微卫星的市场大着呢。何况长11还可以加以改进,设计一个增推型?

再加上长征11的测试-发射24小时急速快递,成本也超低:长11不要火箭发射场,不要勤务塔、不要脐带塔、不要导流槽,不要发射台,给一片平地就能发射。

在航天技术早已摆脱国家荣誉的束缚,接受市场化考量的时代,需求、技术、成本是需要同等对待的因素。仅仅是技术水平高,参数惊人的型号并不一定就能获得市场成功。

大推力火箭发动机发展趋势

说起大推力的重型运载火箭,人们很容易想起登月的土星5火箭和苏联的能源火箭,不过这些LEO运载能力百吨级的巨型运载火箭任务单一,早已退役多年。当前世界上主流的大型运载火箭的LEO运载能力为20吨左右、GTO运载能力在8~12吨级。

大推力火箭发动机的发展

纵观世界各国大型、重型运载火箭的发展历程,液体芯级捆绑固体助推(以高比冲的氢氧发动机作为芯级,大型固体助推发动机作为助推动力)已成为国外大型运载火箭发展的一条主要技术途径。这种动力组合可以充分发挥固体大推力、液体长时间工作的技术优点,形成性价比较高的运载火箭起飞级动力。为了提高可靠性、降低发动机组合数量,发动机推力一般都要求在500吨级以上。

20世纪90年代后,提高使用寿命、降低运行成本成为航天运载器液体火箭发动机的基本趋势,多种新型液体主发动机投入使用。美国、俄罗斯、欧洲和日本研制的新型运载火箭都呈现大直径、大运载能力、少级数、低成本、高可靠、无污染和易操作的发展趋势。

目前世界上的液体和固体大推力火箭发动机以俄罗斯、美国最为成熟,现在很多在研发中的大推力火箭发动机技术甚至是使用的上世纪的大推力火箭发动机的技术,主要研发目的都侧重于节省成本方面,而新的颠覆性的火箭发动机技术还未出现实用性案例,所以可以认为目前世界上的大推力火箭发动机是处于产业生命周期中的成熟期,目前需要新的突破性的技术革新来开启新的一轮生命周期。

环保性设计

俄罗斯目前在开发新型火箭安加拉重型运载火箭,以求更替目前使用有毒燃料的火箭,未来,液氧或者煤油燃料的发动机会完全取代现在的剧毒燃料。与常规发动机相比,液氧煤油发动机具备诸多优点:一是推力大;二是没有污染,相比于偏二甲肼和四氧化二氮,液氧和煤油都是环保燃料,而且易于存贮和运输;三是经济,比常规发动机推进剂便宜60%;四是可靠性高;五是可重复使用。

各航天大国多年来一直考虑在未来可重复使用技术中引入低成本且更易维护的甲烷发动机。2014年9月,ULA选定Blue Origin公司的BE-4发动机作为未来主力运载火箭——“火神”火箭的主发动机。BE-4发动机将用甲烷作为推进剂,这是美国制造的火箭发动机中首次采用这种推进剂。2016年9月,俄罗斯也宣布重新开展80吨可重复使用甲烷发动机的研制。

2017年10月,Blue Origin对BE-4发动机进行首次热点火测试

可重复使用

除燃料之外,对于火箭发动机机体各国也在开发可回收甚至可重复使用的火箭发动机,火箭在完成其运载任务后,发动机和其他电气部件会自动返回地面,而不是遗留在太空中成为太空垃圾。

实现重复使用,大幅度降低成本,是航天运载技术发展的重要方向,各国开展了多个型号重复使用发动机的研制。美国航天飞机SSME发动机是人类最早实现重复使用的火箭发动机,采用液氧液氢推进剂、补燃循环,此外美国还开展了RS-2200液氧液氢气动塞式喷管发动机、RS-2100液氧液氢全流量补燃循环发动机研制,进行了RS-84、RS-76和TR-107液氧煤油补燃循环发动机、RS-83和COBRA液氧液氢补燃循环发动机研究。

目前,美国SpaceX公司正在验证Merlin1D液氧煤油发动机的重复使用能力,并进行Raptor液氧甲烷发动机研制;美国蓝源公司正在研制BE-4液氧甲烷富氧补燃循环发动机,计划2019年用于火神运载火箭,通过直升机空中回收,实现发动机的重复使用。这么做将可大幅压低ULA发射成本,将每次发射的成本从逾2亿美元降至平均1亿美元。

俄罗斯(前苏联)在重复使用火箭发动机领域也进行了大量工作,上世纪六十年代研制的NK-33液氧煤油补燃循环发动机具有较长的工作寿命,1996年被美国航空喷气公司购买,曾计划用于K-1重复使用火箭。上世纪八十年代,苏联研制成功RD-170液氧煤油发动机和RD-0120液氧液氢发动机,按重复使用设计。苏联能源机械联合体以RD-170发动机为基础,开展了RD-701可重复使用三组元发动机研究。2000年后,俄罗斯赫鲁尼切夫国家科研生产中心以RD-191液氧煤油补燃循环发动机为动力,提出贝加尔号可重复使用火箭助推级方案。

2004年开始,欧洲开展了VEDA液氢液氧补燃循环发动机研究,用于新一代两级完全重复使用运载器。同时,提出VOLGA等重复使用液氧甲烷发动机方案,并开展了多项关键技术研究。

2011年,我国运载火箭技术研究院研发中心基于成熟的飞船返回方式,开展采用“降落伞 + 气囊”的火箭子级回收方式研究。2015年完成的热气球投放试验只是一个缩比试验,但已验证了使用大型群伞的技术能力。对于垂直返回的方案,研发中心也已完成了系统的方案论证和相应的仿真研究。

根据技术发展情况分析,可重复使用液体火箭发动机的技术发展趋势是:使用次数15次至100次,推进剂主要为液氧煤油或液氧甲烷,循环方式主要为补燃循环,发动机推力需要根据具体任务采用多台中小推力发动机组合或1-2台大推力发动机。相比一次性使用运载火箭,重复使用运载器对动力系统提出更高的要求,需要实现数十次至上百次的重复使用、具备故障诊断、快速检测与维护等功能;对于垂直着陆的方案,发动机还需要满足二次或多次起动、大范围推力调节等要求。这些要求带来了发动机设计状态的变化和新的关键技术,在较大程度上影响着重复使用发动机乃至运载器技术方案的优化选择甚至技术可行性。

我国火箭动力研究最新进展

可重复使用火箭动力的工程

在“十一五”期间我国就开展了液氧煤油发动机可重复使用技术的探索和研究,突破单台发动机不下台连续热试车、大范围推力调节等关键技术。进入“十三五”以来,我国也加快可重复使用运载器的研究力度,制定了发展规划,并提出重复使用动力的研究计划:为满足火箭垂直回收要求,持续开展液氧煤油发动机的改进研究,进一步开展提高推力调节范围和增加启动次数等工作,先行实现火箭一级的回收与可重复使用。

后续针对完全可重复使用运载火箭、水平起降天地往返运载器的使用需求,我们将开展可重复使用液氧甲烷发动机、组合循环发动机的研究工作,分别实现中期一、二级火箭可重复使用、远期水平起降重复使用运载器服役的规划目标,推动重复使用航天运输领域的产业化运行。预计到2030年全部完成可重复使用火箭动力的工程研制。

深空探测动力研究有序推进

刘志让:在空间飞行器动力方面,我院研制并形成了空间化学推进产品系列:以490N发动机为代表的高性能卫星远地点发动机,以7500N变推力发动机为代表的大范围推力调节发动机,以2500N发动机为代表的神舟飞船变轨发动机,以及各种空间姿态控制发动机。同步开展了空间电推进技术的研究和攻关,霍尔电推进系统具备工程应用条件。在后续载人登月、火星探测等任务研究中,六院将研制新的空间发动机,开展环境适应性研究,满足月球、火星表面软着陆及起飞任务需求;开展低温推进剂在轨贮存技术研究,力争实现高性能液氧液氢发动机空间长期驻留和可靠工作。同时,开展大功率空间电推进系统、空间核热动力等新型动力的研究,以适应火星探测等深空探测任务需求。

200吨推力固体火箭发动机

近期,我国新研200吨推力固体火箭发动机地面热试车获得圆满成功。这一成果可应用于未来长征11号固体运载火箭的改进型。

这是瞄准商业航天发射市场需求而研发的目前国内装药量最多、推力最大的整体式固体发动机。其采用高性能纤维缠绕复合材料壳体,直径为2.65米,装药量达71吨。该发动机的壳体采用先进工艺,由非金属材料通过缠绕方式成型。相比以往型号所用的金属壳体,其强度更大、质量更轻,能大大提高发动机比冲。

500吨级液氧煤油发动机

固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较,具有结构简单,推进剂密度大,推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小(也叫比推力,是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值,单位为秒)。固体火箭发动机比冲在250~300秒,工作时间短,加速度大导致推力不易控制,重复起动困难,从而不利于载人飞行。

“3月中下旬,我们将进行500吨级液氧煤油发动机的燃气发生器—涡轮泵联动试验。”全国人大代表、中国航天科技集团第六研究院院长刘志让表示,这是该发动机技术攻关的关键一环,如果成功,将标志着我国500吨级液氧煤油发动机达到整机装配条件。

涡轮泵是液体火箭发动机的“心脏”,其与燃气发生器开展联试,是模仿火箭发射时燃气驱动涡轮泵的工况,将贮箱内的氧化剂和燃料推进燃烧室。

涡轮泵虽小,但功率巨大。火箭发射几分钟内要燃烧的几百吨燃料,全靠涡轮泵的高速输送。以目前长征5号火箭所用我国推力最大的120吨级发动机为例,一台涡轮泵能将地面的水“抽”到青藏高原。与之相比,将用于长征9号重型火箭的500吨级发动机,其涡轮泵具备几倍的功率,将完成几倍燃料的输送工作。

联试状况将关系到该发动机能否按期在今年6月左右完成整机装配。刘志让介绍,涡轮泵联试之后进行的整机装配,标志着主要组件、结构、接口的协调匹配已经基本确定。

“重型火箭发动机的方案能够确定下来,基本的结构能够协调下来,是一个重大的突破。”刘志让说,长征9号运载火箭的先期关键技术攻关、方案深化论证阶段的工作,包括“重型运载火箭总体技术”“大推力液氧煤油发动机技术”等12项重大关键技术攻关即将收尾。据悉,长征9号箭体直径达9.5米,全箭总长近百米,运载能力是目前我国火箭最大运载能力的5倍以上。该火箭计划于2030年首飞,未来将执行我国载人登月、深空探测等重大工程项目的发射任务。

关于长征9号火箭的资料图

从上面的数据对比就能看出,我国在研的500吨级火箭发动机主要是为重型或称为超重型运载火箭所准备,也就是为未来的长征9号所准备。从我国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪院士透露的消息看,长征9号将具有近地轨道140吨的运载能力,与曾经的巨无霸土星五号相比也不遑多让。我们有理由相信:假以时日,我国的火箭发动机也会像我们引以为傲的载人航天技术一样,追赶上发达国家的脚步,成为人类探索太空的排头兵。

转自:军民融合科技创新资讯平台

来源:材料十

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