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我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解

2011-07-02 12:12阅读:
今年两会,全国政协委员、中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹接受记者采访时透露,我国已经立项研制新一代中型运载火箭“长征七号”。目前我国长征系列运载火箭有针对5吨以下载荷的火箭,也有针对5吨到10吨载荷的火箭,正在研制的长征五号火箭运载载荷将达到20吨以上,而针对10吨到20吨之间载荷的中型运载火箭就是“长征七号”。 据介绍,“长征七号”运载火箭仍然将在我国航天功勋火箭“长征二号F型”火箭的基础上进行研发,暂时命名为长征二号F(换)型火箭,该火箭有望在嫦娥计划中投入应用。
大家都知道我国现正在大力发展长征五号.这是我国未来二三十年的主力大型火箭,但对突然冒出来的长征七号又会有些迷惑。其实, 这个长征七号跟长征五号可说是一胞兄弟,他们还有一个现在还没有露面的兄弟,即代替长征三号的长征X号(X等于六或八)。这要从长征五号说起了。
为了航天事业的发展。大容量卫星,空间站,深空探测的需要。现有长征火箭推力严重不足,且推进剂有剧毒,故中央决定研制大推力,无毒推进剂的长征五号。现有无毒推进剂发动机只有长征3甲/乙第三级所采用的推力为8吨的YF-75氢氧发动机将会保留。必须新研究大推力的主发动机。即推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机,推力为50吨的YF-77氢氧发动机以及一种用于上面级的推力为12吨的YF-115液氧煤油发动机。液体火箭发动机,除了九十年初研制的YF-75氢氧发动机,已经多年没有研制过主力大发动机了。而我们的邻居俄罗斯却是航天第二,于是我们购买了联盟TM的专利。把飞船直径由2.5米扩大到3米乘员由2名扩为3名,后来的联盟TMA也是如此。火箭发动机我们只买到了2台RD-120液氧煤油发动机及其技术推力为85吨。而俄罗斯最好的RD-170推力约为800吨是不会卖给我们的。RD-170的改型RD-180(半个RD-170)推力为432吨卖给了美国洛克西德-马丁,用于战神火箭,这种技术对美国来说不是秘密。
液氧/煤油火箭发动机作为运载动力装置的优越性在于:
一是煤油作为常温推进剂,使用极为方便,安全性好,而甲烷、丙烷、液氢为低温推进剂,不好贮存,运输、加注和操作都不方便,泄漏后易起火爆炸,特别是液氢很容易泄漏。
二,煤油价格便宜,每千克煤油的价格只有液氢的1/100和偏二甲肼的1/30,可以较大幅度地降低发动机的研制成本和运载火箭的发射费用。发射一颗20T低轨道的有效载荷,如用液氢/液氧和四氧化二氮/偏二甲肼组成的二级半方案推进剂费需3000万元,而用全液氧/煤油方案只需推进剂费100万元。
三,液氧/煤油组合密度比冲高,是理想的下面级(助推级和芯一级)发动机,稍作改
进之后亦可作为比较理想的上面级发动机。
四,我国煤油资源丰富,贮量极大,可满足长远的需要。我国克拉玛依油田开采的煤油是低凝点环烷基中质原油,完全符合火箭推进剂用煤油标准,现已查明贮量在5亿吨以上,按每年200万吨开采量计算,可连续开采50年以上,同时我国黑虎山、辽河、胜利等油田符合要求的原油贮量也是丰富的。经各种研究试验和两次液氧/煤油发动机热试车的成功,充分说明了国产煤油能完全满足使用要求。
五,使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲肼有毒且污染环境的严重不足。六,液氧/煤油发动机可实现运载火箭模块化积木式设计,可用不同组合完成不同载荷的发射任务,能形成我国新一代运载火箭系列。
上述诸优点体现了先进动力系统的要求和研制方向。
虽然我们买的是85吨推力的RD-120技术,但我们研制的是120吨推力的YF-100,YF-100火箭发动机地面推力120吨,地面比冲300秒,真空推力134吨,真空比冲达337秒,可以65%节流以调节推力,许多人往往因为RD-120的名称而误认为我们的YF-100只是一种简单的仿制型,其实是融入了我们智慧的。液氧/煤油高压补燃发动机,代表当今液体火箭发动机领域的最高水平,其先进性体现在以下几个方面:
1、先进的闭式循环系统。该系统能充分利用燃料的化学潜能。补燃发动机也称为分级燃烧发动机,该系统先把推进剂的一组元在预燃室中进行富氧(或富燃)燃烧,生成低温大流量的燃气驱动涡轮,然后将工作过的燃气引入燃烧室进行完全燃烧。它避免了开式循环
系统涡轮排气的能量损失。闭式循环发动机可较大幅度提高燃烧室压力,进而提高燃烧效率,仅采用闭式循环系统就能提高比冲6%以上。
对二级半火箭来说,当起飞质量相同时,有效载荷能提高30%以上;假若有效载荷相同,运载火箭起飞重量可降低20%。使发射1kg有效载荷的全寿命周期费用降低约16%。用这种发动机的试验机,于1995年12月~1996年1月进行两次全系统高压补燃发动机试车,其真空推力为85T,真空比冲为3500m/s,混合比K在2.34--2.6之间。
2、先进的燃烧室混合喷注器。在补燃循环系统中,氧化剂全部在预燃烧室气化后,
再进入燃烧室进行燃烧,这样就实现了气液两组燃烧,气液燃烧大大改善了发动机的燃烧稳定性。为了进一步提高燃烧稳定性,用不同长度的喷咀把喷注器分隔成数个区域,气液喷咀为同轴内混合式,其长度为1/4波长,形成几百个小声腔,能够有效地衰减振荡;另外在燃烧室上游设置了整流装置,把不规则的涡轮排气进行整流后引入燃烧室。高压补燃循环系统不仅有利于解决技术关键不稳定燃烧问题,而且还较大幅度地提高了燃烧效率。我们对喷注器进行了混合雾化试验,并对发动机进行了热试车,试验结果表明: 高压补燃循环系统的燃烧效率高达0.98。
3、先进而巧妙的燃烧室冷却措施。几十年来争论不休的用煤油作为冷却剂问题,经过大量的传热试验及计算分析后表明:采取适当的措施是完全可以解决的。用克拉玛依煤油作燃料进行了工作时间分别为10秒、50秒的两次试车后燃烧室完好无损,光洁如初,说明用煤油作发动机冷却剂是完全可行的,效果是相当理想的。在燃烧室的冷却结构设计上采取了一系列措施: 一是在喉部以前设置了三条冷却带,其流量为推进剂总流量的2~3%,煤油进入燃烧室是贴壁向上旋转式;二是燃烧室喷管从膨胀比为8的截面至圆柱段,用螺旋式冷却槽,并且喉部附近的冷却槽加工成波浪形,以便提高其冷却效果,这样可使内壁温度降低40℃左右;三是低温煤油从收敛段进入冷却槽,首先冷却热流最大的喉部区域,这一举措可得到40℃温差的好处。除上述措施外,还在内壁上镀镍铬防热层可使气壁温降低30~40℃,以及选取热传导性能好的内壁材料等。上述措施经过热试车,证明非常有效。
4、可靠的多样密封。发动机各部件要承受-200℃~3500℃高低温环境,压力为
150~500个大气压,在强烈的振动环境下,发动机的密封问题是一个致命问题。必须因地制宜地设计相应的密封结构。过去我们采用的是法兰盘间加不同材料的垫片或“O”型圈结构,对于中、小直径的管路接头大多用球头喇叭口结构。这种落后的密封结构远远不能满足高可靠、高性能先进发动机的要求。为此,我们进行了多种密封结构的研究、试验。低温液氧的密封用“К” 和“Э”型环,高温燃气密封采用了碟型垫,高压的液体和气体密封采用球头加导向,并在球头上开槽,加不同材料的“O”型圈,还有适用于低温的碟型垫的密封,其密封压力达到600个大气压也不泄漏。涡轮泵的密封更重要,为适应发动机多次工作,防止磨擦生热减少磨损而采用了脱开式密封。涡轮不转动时,为静密封,当涡轮泵转速达到预定值时,控制压力使密封处脱开,这种先进的密封形式大大地提高了可靠性及其寿命。
5、先进的预压涡轮泵。要使主涡轮泵正常工作,避免发生气蚀,必须保证泵的入口
有一定的压力。如果泵入口压力要求高,则火箭贮箱压力必须提高,这样就会增加运载火箭的贮箱结构重量。为了降低火箭结构重量、提高运载能力,必须尽量降低泵入口压力。为此在主泵前设置了一套预压涡轮泵。从主涡轮后抽取一股富氧燃气作为氧化剂的预压涡轮泵工质驱动涡轮,然后排入氧化剂主流中,从主煤油泵后引出的一股高压煤油作为煤油预压涡轮泵的工质吹动涡轮,然后排入预压泵后的主流中。这种预压涡轮泵系统设计思路新颖、结构巧妙,尤其是富氧的燃气工作后又进入液氧的主流中,这种设计构思非常大胆,也十分巧妙。
目前,预压涡轮泵已经进行了大量液流冷试,并且成功地进行了发动机的热试车,采用预压泵结构可提高主泵前压力6个大气压,而箱压仅为2个大气压。
6、先进的弹性支承。发动机是整个运载火箭的主要振源。工作时发动机各零部件都承受着强烈的振动,有高频,也有低频,有些部位加速度高达几十个g甚至几百个g。因此,各零部件的连接和固定形式是一个十分关键的问题。如一个质量较大的阀门与直径几毫
米或十几毫米的导管连接,要承受激烈的振动,在设计上必须要有科学的方法。用完全紧固定支承的办法防振效果不好,而采用适当的弹性支承,不仅降低了振动量级,而且还有利于解决零部件和发动机的共振问题。另外,为抗振防松,在拧紧各紧固件时,要涂胶。尤其在天地往返运输系统及载人运载器上,由于运载器可靠性要求极高,抗振防松问题事关重大,必须确保万无一失。为此,我们已进行了大量研究试验。
我国液氧/煤油高压补燃发动机研制工作已获批准并已列入国家“863”计划。近几年
来重点进行了技术方案论证和关键技术研究,并于1995年12月~1996年1月用试验型发
动机进行了两次热试车,进一步研究并初步掌握了该种发动机的起动、关机程序、预冷、吹除及试车后的中和清洗技术。独联体国家把液氧/煤油发动机热试车后中和清洗技术视作“Know How”(技术诀窍),要买此项技术需上百万美元。我们经多次研究、论证、试验,摸索出一套适合我们实际情况的中和清洗程序,经两次发动机热试车验证,证明我们的方法是完全正确的。随着工作的深入,试验技术及试验设施也都有了不同程度的掌握。总之,几年来的关键技术研究,为今后研制高压补燃液氧/煤油发动机打下了一个良好的基础。这种发动机的研制成功,将使我国液体火箭发动机技术登上一个新台阶,将为我国大型运载火箭和天地往返运输系统,载人航天提供先进的动力系统。在此基础上,进而可研制更先进的液氧/煤油/液氢三组元火箭发动机,实现单级入轨,赶上世界先进水平。研制成功先进的液氧/煤油火箭发动机,可提高我国航天技术水平,进一步扩大卫星发射市场,为加速运载火箭产业化进程提供强有力的支撑。

与此同时,传说中的YF77也进入开发阶段,曾经有一段时间,或许是爱好者们对高技术的狂热,亦或开发者们对新技术的追求,YF77被说成是典型的分级燃烧式液氧液氢发动机,不过很遗憾,进入新世纪后随着越来越多信息的公开,已经明确了这是一种燃气发生器循环的液氧液氢发动机。从技术上说,燃气发生器循环方式的发动机要落后一些,尤其是真空比冲要低了不少,目前曾经投入使用的大推力液氧液氢发动机,用于阿波罗计划的土星5号二子级的J2发动机是普通的液氧液氢发动机,但是随后的航天飞机主发动机(SSME),苏联/俄罗斯大型运载火箭能源号芯级的RD1020都是分级燃烧式发动机,冷战时期针锋相对,感觉真的是技术发展的黄金时期。此后日本人的H-2/H-2A运载火箭的LE7/LE7A采用的也是分级燃烧式发动机,但是命运多舛,频繁出现发射失败问题;与此同时,ESA投入使用的阿里安5的芯级采用了较为简单的燃气发生器循环方式的发动机。更重要的是,技术的领头羊美国人研制的新型液氧液氢发动机RS68 居然也是燃气发生器循环方式,为的是降低成本提高可靠性,缩短开发周期。日本与欧美两方面的对比毫无疑问对中国的开发工作产生了影响,最后采用相对低端但是更廉价可靠的燃气发生器循环方式,尽管有些遗憾,但是也是可以理解的。
进入21世纪后,在新一代发动机的路线图中又出现了新的 YF115发动机的身影,对于这个突然出现的型号,如果没看到它的性能数据,很容易联想到上世纪 YF73对YF40的故事,但是YF115并不是YF77的竞争者,事实上,它是一台推力在15吨级的分级燃烧液氧煤油发动机,主要用于新一代运载火箭的上面级,真正竞争的对手,应该是YF75液氧液氢发动机。分析认为这可能主要是为了掌握分级燃烧/高压补燃的新技术,作为技术积累用。毕竟即使采用高压补燃,但是液氧煤油发动机的比冲,比之燃气发生器循环的液氧液氢发动机,仍然是差了很多的,典型的例如RD180真空比冲为330秒,但是RS68真空比冲可达402秒,ESA的火神更是高达422秒之高。当然,采用高压补燃的液氧煤油发动机,比之原来的四氧化二氮/偏二甲肼燃料的发动机,性能尤其是发动机比冲要高出不少,典型的如我国YF40发动机,真空比冲仅为294.2秒,如果是大型的发动机推力与RD191(190吨推力,真空比冲338秒)如 DaFY6-2,真空比冲更是仅有255秒。大胆猜测一下,采用YF115发动机作上面级的CZ-5型号这将是CZ-4的后继。
新一代火箭的结构
按照构想,采用新型大推力发动机的新一代运载火箭将形成一个系列,彻底取代原有的CZ-1/2/3/4各种型号的火箭,这样的模块化设计,可以降低使用费用,同时使用大推力发动机,减少了发动机数目,也更容易提高可靠性。
我国新一代运载火箭将采用2.25 米,3.35米和5米三种直径,运载能力覆盖LEO(Low Earth Orbit:近地轨道)约1.2吨到25吨,GTO(Geostationary Transfer Orbit:地球同步转移轨道)约1.8吨到14吨的范围,不仅可以完全取代原来的各型运载火箭,而且扩大了LEO和GTO的运载能力。截至目前,LEO 运载能力最大的CZ-2F不过8吨多,GTO运载能力最大的CZ-3B不过是5.1吨,新一代火箭对运载能力的扩展还是很大的。
5 米直径模块采用两台50吨推力液氧液氢发动机YF77,是新一代运载火箭的核心模块;3.35米模块采用两台120吨的液氧煤油发动机YF100,它既可以作为5米直径大推力运载火箭的助推器,也是3.35米火箭系列的芯级;类似的,2.25米火箭模块采用一台120吨的液氧煤油发动机YF100,既可以作为大推力火箭的助推器,也是小型火箭的芯级。
我国新一代火箭采用3种新发动机和1种旧发动机
3种新发动机:
推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机
推力为50吨的YF-77氢氧发动机
推力为12-15吨的YF-115液氧煤油发动机
1种旧发动机:
长征3甲/乙第三级所采用的推力为8吨的YF-75氢氧发动机
我国新一代火箭采用模块组合设计,共12个规格.
火箭方案/运载能力
2.25米直径芯级或助推器采用1台120吨推力的液氧煤油发动机.长征二号芯级直径2.25米
3.35米直径芯级或助推器采用2台120吨推力的液氧煤油发动机.长征三号芯级直径3.35米
近地轨道型:
2.25米直径的第一级(1台120吨)+2.25直径的第二级(2台12吨) 近地轨道1.5吨或太阳同步轨道1吨.
3.35 米直径的二级火箭(第一级2台120吨,第二级4台12吨) 近地轨道4.3吨或太阳同步轨道2.1吨.
3.35米直径的二级火箭 (第一级2台120吨,第二级4台12吨)+2个2.25米直径的助推器 近地轨道8吨.
5米直径的单级火箭(2台50吨)+4个 2.25米直径的助推器 近地轨道10吨.

3.35米直径的二级火箭(第一级2台120吨,第二级4台12吨)+4个2.25米直径的助推器 近地轨道14吨.
5米直径的单级火箭(2台50吨)+2个3.35米直径的助推器+2个2.25米直径的助推器 近地轨道18吨.

5米直径的单级火箭(2台50吨)+4个3.35米直径的助推器 近地轨道25吨

地球同步转移轨道型:
3.35米直径的三级火箭(第一级2台120吨,第二级4台12吨,第三级2台8吨)+2个2.25米直径的助推器 地球同步转移轨道4吨
5米直径的二级火箭(第一级2台50吨,第二级2台8吨)+4个2.25米直径的助推器 地球同步转移轨道6吨.
3.35米直径的三级火箭(第一级2台120吨,第二级4台12吨,第三级2台8吨)+4个2.25米直径的助推器 地球同步转移轨道7吨.

5米直径的二级火箭(第一级2台50吨,第二级2台8吨)+2个3.35米直径的助推器+2个2.25米直径的助推器 地球同步转移轨道10吨. ;
5米直径的二级火箭(第一级2台50吨,第二级2台8吨)+4个3.35米直径的助推器 地球同步转移轨道14吨.
虽然,现正在研制的两种发动机在国际上推力偏小及技术也非最高。但是够用,比较好实现。
附图: 我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解F-1火箭发动机
我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解RD-191火箭发动机
我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解
我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解
RS-68火箭发动机
我国新一代运载火箭系统及液体燃料火箭发动机详解
SSME火箭发动机

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