真是技不如人?全球最大闭式膨胀氢氧机试车!美国60年前就有了
发布时间: 2022-09-19 15:41:42 来源:新188体育入口 作者:新188体育决赛


  我航六院25吨级闭式膨胀循环氢氧发动机(YF-79)首次整机热试车圆满成功,这是世界上最大规模的闭式膨胀循环发动机试车,标志着重型运载火箭关键技术之一的闭式膨胀循环氢氧发动机研制取得重大突破。

  很多媒体在转发时都没有意识到这台发动机将用在迄今为止中国最大的运载火箭CZ-9上,未来的用途载人登月以及火星采样返回以及载人登陆火星,其意义之重大超乎想象。

  但有人却冷言冷语的留了个言表示“加油!差一点就赶上RL10A-3C,也就是美国70年前的水平了。”,美国在1962年确实有个闭式膨胀循环的RL10氢氧发动机,难道我们在2022年研制的发动机线年前美国的水平?

  火箭大家都知道,但在介绍火箭发动机时往往会加上一个前缀,比如燃气发生器循环、分级燃烧循环、膨胀循环等等,搞得云里雾里,这回中国航天科技团又整出来一个闭式膨胀循环,这又是怎样的火箭发动机,对登月到底有多大的帮助?

  这是燃料和氧化剂经过一个流程进入火箭燃烧室做功的一个过程,这是针对液体火箭发动机而言,固体不存在各种循环这个问题,早期的循环很简单,就是在氧化剂和燃料箱里设置高压气瓶,释放高压气体将燃料和氧化剂压入燃烧室。

  早期的火箭都是垂直和倾斜状态下发射,只要注入高压气体即可,但后来需要在再次点火或者在失重状态下点火,气体挤压没有方向,因此需要有一个气囊方式挤出,不过相信大家已经看出了一个问题,要向燃烧室注入燃料和氧化剂,那么高压气体的压力一定要比燃烧室大。

  显然这个高压气瓶的气压要求比较高,但高压气瓶的压力和燃料罐承受的压力都是有限的,而且会随着压力释放越来越低,燃烧室压力不会太大,这会影响火箭的效率,推力也不可能大,但胜在结构简单,性能稳定可靠,比如需要多次点火的姿态控制发动机、阿波罗服务舱的发动机以及登月火箭发动机用的都是挤压循环

  想要提高燃烧室压力,又不影响燃料罐的承载,那么就必须在燃料罐和燃烧室之间增加一个泵,这个想法很自然是吧,但问题来了,泵需要输入动力,怎么办?所以就有了用电动机带动这个泵,火箭自身电池容量有限,需要给这个泵增加一大块电池,死重太大。

  因此就出现了一个燃气涡轮来带动涡轮泵,简单的说就是先让燃料和氧化剂进入一个燃气涡轮燃烧推动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入燃烧室。但又出现了一个问题,燃气涡轮结构复杂,散热困难,只能处在不完全燃烧的较低温状态,这些不完全燃烧的产物就被排出“体外”了,这种燃气发生器循环也称开式循环。

  此时又出现了一个问题,涡轮泵烧掉的就是火箭自身携带的燃料,而排出的产物还不完全燃烧,非常浪费,因此可以将这个原本排出的不完全燃烧的产物再次送进燃烧室再烧一次,将其彻底利用后再排出尾喷口,这种燃气发生器循环也称闭式循环,或者称为分级燃烧循环。

  分级燃烧循环的第一次燃烧在涡轮燃烧室,也存在高温问题,因此必须要不完全燃烧状态,存在富油燃烧和富氧燃烧,但液氧煤油机中富油燃烧存在严重的结焦问题,最严重的结果甚至会导致爆炸,所以一般在液氧煤油发动机中会富氧燃烧,而且液氧属于低温氧化剂,还能降低涡轮泵的温度。

  其实分级全流量分级燃烧循环就是分级燃烧循环的一个变种,理解起来很简单,就是所有的流量都通过涡轮,富燃燃烧后再进入燃烧室,它可以给燃烧室提供更大的压力,结构如下,应该很容易看明白:

  因此燃料利用率和推力都会很高,比冲也更大,另外由于全流量经过涡轮,其工作温度也更低,但实现的技术难度也更高,到目前为止全流量分级燃烧循环只有SpaceX的Raptor(猛禽)发动机实现了。

  这里必须说明下火箭发动机喷管散热的问题,火箭燃烧室内燃料和氧化剂剧烈反应,温度超过3500 K,在这个温度下没多少材料可以经受住如此高温,因此对尾喷管散热的方式就出现了,最简单办法就是让火箭携带的燃料和氧化剂在进入燃烧室之前先到尾喷管上去绕一圈,

  这就是再生冷却,这个过程不仅散热了发动机尾喷管,还对燃料预热,两全其美,而且极端的还在尾喷管喉部打孔注入燃料,蒸发后形成气膜,将高温燃气与尾喷管隔离,也是散热的一种措施。

  膨胀循环的原理就来自于此,经过尾喷管加热后的燃料迅速气化,会产生很高的压力,这可以推动涡轮泵工作,最关键的是这个涡轮泵还是工作在大致常温下的,工作条件那是相当的好。

  再生冷却可以用燃料,也可以用氧化剂,当然也可以一起用,因此高温膨胀而气化的燃料和氧化剂有两个,一般是燃料膨胀,然后推动两个涡轮工作,分别泵送燃料和氧化剂,或者燃料和氧化剂分别膨胀,各自泵送,这就是双体膨胀循环。而完成膨胀后的气化氧化剂或者燃料有两种去处:

  第一种叫做开式膨胀循环,这种方式损失了部分燃料,不过由于入口和出口压力差比较大,涡轮机的工作效率会很高。

  第二种则是闭式膨胀循环,这种方式彻底利用了燃料,但由于压差比较小,因此在发动机喷管加热的时间就要高很多了,整个管路中压力也会非常大。

  膨胀循环非常优秀,比冲可以做到很高,但总推力比较小,并且只能使用低温液体燃料(因为双体膨胀需要双低温燃料,这要比单体更安全,性能更好)

  这些循环模式的发动机中按技术难度排名大致为:全流量分级循环(闭式)分级燃烧循环(开式)≥燃气发生器循环(开式)≥双膨胀循环(主要用于氢氧机)膨胀循环挤压循环。

  估计很多朋友都懵逼了吧,YF-79的发动机属于氢氧机的膨胀循环,它的难度在发动机技术中几乎就是垫底的(只比挤压循环好一些),那为什么中国航天科技集团还吹了半天牛?

  这就必须要了解下这些发动机的应用场合了,目前的火箭都是多级火箭,不仅是各位理解的多级火箭抛弃不必要的重量减轻火箭的负担,而是火箭的工作环境不一样,比如一级起飞的火箭和三级或者上面级火箭的要求完全不一样。

  一级火箭要求大推力,比冲尽可能高但推力要求更高,并且在过程中基本不太考虑再次点火的问题,而三级火箭和上面级则要求推力一般但再次点火的要求很高,然后在尽可能的情况下提高比冲,因为进入高轨道以及地月转移或者地或转移等应用都需要多次点火。

  早期的三级和上面级大都用肼类燃料,就是大家说的毒发,使用挤压循环的肼类燃料火箭再次点火能力超强,比如国际空间站的姿态以及轨道维持、登月飞船的火箭以及嫦娥系列登月的变推力火箭。

  这些是小型推力环境下的特殊火箭,在载人登月以及登陆火星这个三级火箭的要求又不一样了,比冲高(同样推力下更省燃料),推力适中的发动机就成了首选,而目前化学能火箭中氢氧火箭发动机是最高的,但在三级火箭中起飞用的燃气发生器循环或者分级燃烧循环又不太适合多次点火。

  挤压循环比较适合多次点火以及变推力环境,但比冲太低,氢氧都是低温燃料,因此膨胀循环是比较合适的,而闭式膨胀循环更适合这种场合。与开式膨胀循环不一样,闭式膨胀循环的燃料管路压力要求很高,因为它必须远高于燃烧室压力才能推动涡轮,才能泵送燃料进燃烧室,这就是这套发动机中最为变态的地方。

  因此在中国航天科技集团博文下有很多朋友留言,YF-130和YF-90以及YF-79这三台神器中居然是最难的YF-79先突破了,实现了最难的YF-79,相信未来的长征-9火箭将会更加顺利。

  对氢氧机的闭式膨胀循环比较了解的朋友,第一个就反应过来这就是RL10火箭发动机的工作模式,这种发动机是1962年研发成功的,当时作为土星1号的第二级火箭发动机,总共用了6台,不过这套发动机由于比较优秀,各种改型美国人用了快60年,一直到最近的SLS火箭的上面级还用了一台RL10的改进版。

  和人家当年60年前的相比优秀有意思吗?其实这是一个伪命题,就比如艾蒂安·勒努瓦在1859年发明内燃机一样,我们现在造的内燃机还是那个原理,但是效率提高不少!RL10早期的版本,推力是67千牛,大约是6.7吨,比冲是425秒,一直到2021年的RL10C-1-1,才改进到106千牛,比冲453.8秒。

  而YF-79发动机,目前试车版的推力是250千牛,差不多是RL10的2.5倍,比冲则为455.2 秒,目前这个发动机推力排名全球第一,而且闭式膨胀循环的推力是比较难做大的,由于管路压力差关系,据说30吨已经是天花板,美国曾设计过27吨的版本,但造不出来!因此250千牛的推力指数在这个领域已经做到了相当优秀的级别。

  所以有人打算要拿这个版本和1962年的RL10相比?不如去买台1900年产的内燃机装到你的宝马车上吧。不过有一点还是得承认,我们在氢氧机上的技术确实比较弱一些,近些年来已经追上了很多,但仍然需要努力。

  估计朋友一定会拿日本的LE-5A氢氧膨胀循环系列发动机说线要大的多,但这台发动机是开式膨胀循环,它是作为H-2火箭的芯级火箭发动机的。

  上文说明了开式循环的涡轮前后两端压力差(注意是压力差,开式循环外部压力地面是一个大气压,线)要比闭式循环大得多,而且管路压力也更小,推力可以做到更大。

  YF-79是CZ-9巨型火箭的三级发动机,此前的说法是CZ-9是登月版,不过在今年6~7月份爆出的猛料中,登月火箭已经从CZ-9变成了CZ-5DY版,与CZ-9相比,CZ-5DY都是成熟技术,相对而言更加保险。

  不过CZ-5DY版本有两个使命,通过助推器与芯级的组合,一个是未来的新一代载人火箭,还有则是两枚火箭组合变成载人登月。而CZ-9这种近地轨道运载能力达到了150吨的巨型火箭,它未来可以一枚火箭直达月球,或者多枚组合载人登陆火星。

  从这个角度来说,未来到底是CZ-5DY还是CZ-9登月还不好说,CZ-5DY成本更低(研发),但CZ-9更有优势,并且还兼顾了载人火星登陆,而YF-79的火箭发动机成功试车,让我们离CZ-9巨型火箭的成功又近了一步!(完)

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