近日,我國重型運載火箭25噸級膨脹迴圈氫氧發動機首臺推力室擠壓試驗取得圓滿成功。其推力是我國現役上面級氫氧發動機的 3 倍,達到世界先進水平。此外就是美國現役推力達到 11 噸的 RL10 膨脹迴圈氫氧發動機,以及隸屬於歐洲航天局,目前正在開發中,且設計推力達到 18 噸的芬奇Vinci膨脹迴圈氫氧發動機。
這意味著我國的新型火箭發動機,是目前世界上推力最大的膨脹迴圈氫氧上面級發動機,正好湊齊了支撐深空探測任務的“三大神器”,成為了我國由航天大國邁向航天強國的標誌性產品。
所謂“三大神器”,分別是指“500 噸級液氧煤油火箭發動機”、“220 噸級補燃迴圈氫氧發動機”,以及本次實驗成功的“25 噸級膨脹迴圈氫氧發動機”。它們要為以後的長征九號重型運載火箭提供動力。
上圖:長征九號
在未來,長征九號將用於中國深空探測、載人登月和登火、空間基礎設施建設(如空間太陽能電站)等任務。它設計採用三級半構型:四枚助推器分別配置 2 臺 500 噸級液氧煤油火箭發動機(YF-130);芯一級配置 4 臺 YF-130;芯二級配置 2 臺 220 噸級補燃迴圈氫氧發動機(YF-90);芯三級則是 4 臺 25 噸膨脹迴圈氫氧高空發動機,最終火箭全長 93 米,芯級最大直徑達到 10 米級。
上圖:從左到右,超級獵鷹、土星五號、新格倫、長征九號。
如此巨大的體型也使得長征九號起飛質量超過 4000 噸,但其近地軌道運載能力也高達 150 噸,地月轉移軌道運載能力更是超過美國土星 5 號運載火箭的 50 噸運力。
那究竟什麼是膨脹迴圈氫氧發動機?與其他發動機相比有什麼特點?
氫氧發動機是火箭發動機發展的主要方向之一,能為火箭騰飛提供充足的動力源。其使用的燃料——液氫和液氧,在一定時間內燃燒一定量的燃料所產生的推力比,要比其他燃料高上不少。而且燃料的燃燒產物絕大部分是水,所以在氫氧火箭發動機完全可以稱得上是綠色環保無汙染。
但由於氫氧在常溫下處於氣態,所以作為燃料的液氫、液氧溫度極低。因此為保證液氧和液氫能在發動機內部穩定輸送,就需要採用特製的低溫合金材料,與更復雜的推進劑注入方式。
目前,對於液體推進劑火箭,通常使用四種不同的方式為推進劑注入腔室提供動力。而對於液氫、液氧這樣的低溫燃料,則多選擇分級燃燒迴圈與膨脹迴圈兩種。
上圖:分級燃燒迴圈
分級燃燒迴圈也被稱為補燃迴圈,正好是我國“220 噸級氫氧發動機”注入推進劑的方式。這種發動機有兩種燃燒室:第一個稱為預燃室,第二個稱為主燃燒室。它需要將一種推進劑的全部先經過發動機噴嘴處的熱交換機加熱,再進入預燃室與另一種推進劑的小部分進行燃燒。透過燃燒產生的燃氣吹動渦輪泵增壓,增壓後的燃氣再注入主燃燒室與剩餘的大部分推進劑進行二次燃燒。
值得注意的是,雖然二次燃燒使得燃料效率更高,但也使得發動機的複雜性大大增加,因此,這類發動機不僅推力較高,其質量也更重,不利於小型化。而為了降低複雜性,膨脹迴圈也就有了用武之地。
上圖:膨脹迴圈
在這個迴圈中,燃料用於冷卻發動機的燃燒室,同時吸收熱量。之後經過加熱變為氣態的燃料為渦輪機提供動力,再由渦輪機驅動發動機的燃料泵和氧化劑泵,並注入燃燒室進行燃燒。不過雖然膨脹機循發動機的複雜性較低,但流向燃料的熱傳遞限制了渦輪的可用功率,從而限制了發動機推力。
而目前我國的膨脹迴圈氫氧發動機,順利達到 25 噸級,又創下了一個世界之最:是目前世界推力最大的膨脹迴圈氫氧上面級發動機。據介紹,它擁有高效能、高可靠等優點,具備多次起動和大範圍變推力調節能力,是大型、重型運載火箭上面級和空間飛行器的優選動力。
據瞭解,25 噸級膨脹迴圈氫氧發動機前期已完成發動機系統方案設計與模擬、火炬電點火器試驗驗證、推力室縮比試驗驗證和氫渦輪泵介質試驗驗證等工作。再加上本輪又進行了 2 次熱試驗圓滿成功:分別為 60% 和 100% 額定工況,標誌著該型發動機核心關鍵技術取得全面突破,也為之後的長征九號奠定了堅實的基礎。
當中國有了運力和美國土星五號火箭大致相當,並超過正在研製的美國下一代運載火箭(SLS)的長征九號,就可以完全滿足我們未來的載人月球探測、火星取樣返回以及太陽系行星探測等多種深空探測任務需求,徹底保障了中國在未來宇宙探索和更大更遠空間的話語權。
延伸閱讀
長征九號也將延續長征五號系列化模組化發展思路,總共有三個型號,分別是長征-9、長征-9A、長征-9B。
上圖:從左至右,長征-9、長征-9A、長征-9B
三個型號的不同之處在於助推器數量,其中長征-9 是四助推最大運力版,長征-9A 是兩助推、無助推則是長征-9B。近地軌道運力分別對應150噸、100噸、50噸。有趣的是,2028 年計劃實施的火星取樣返回任務,設計使用的是無助推的長征-9B。