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美扬言中国造不出氢氧火箭:结果这次洋相出大了!

(2016-03-15 11:22:45)
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军事

中国航天事业的近期成就有目共睹,而且中国还有更深层的太空开发和探索计划在酝酿实施中。但是有媒体分析指出,对比国外主流大型运载火箭,中国现有运载火箭的能力大有不足。
  如果说此前缺乏大质量载荷的发射任务,属于有效需求不足没有发展的话,那么随着空间站20吨级大型舱段、质量6.5~7吨的东方红五号大型通信卫星以及探月计划三期的大型取样返回月球探测器的研制,中国运载火箭的运力已经成为瓶颈。
  所以中国在多年前就开始规划设计新一代大型运载火箭,这就是长征五号运载火箭及其衍生型号。
  长征五号运载火箭作为中国运载火箭更新换代、追赶国际先进水平的关键一步,在主要性能指标上已经达到或超过国际主流大型运载火箭的水平。

 
长征五运载火箭使用两款中国最新式航天火箭发动机
  长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机研制,设计中贯彻模块化、通用化和系列化的设计思想,以5米直径芯级为核心分别捆绑不同数量的3.35米和2.25米直径的助推器。
  LEO发射使用一级半构型,即一个芯级、捆绑助推器,GTO增加了基于YF-75D氢氧发动机的上面级,构成了A~F六个型号的长征五号火箭,覆盖了LEO10~25吨、GTO6~14吨的运力范围。
 
  上面提到的YF-100液氧煤油发动机共有三种状态单机,可通过组合使用的模式,装备我国新一代运载火箭长征五号、六号、七号,使我国近地轨道运载能力提升到25吨,地球同步轨道运载能力提升到14吨,与国外主流水平持平。
  为载人航天、月球探测等国家重大专项任务提供动力保障。该发动机推力达到120吨级,于2012年6月由航天科技集团六院研制成功,以液氧煤油为推进剂,绿色环保优点突出;首次采用补燃循环、自身起动、变工况调节技术,填补了国内多项技术空白。
  其研制成功,缩短了我国液体火箭发动机技术水平与国外的差距,奠定了我国未来航天动力系统发展的技术基础。
  
长征五运载火箭使用两款中国最新式航天火箭发动机
  我国于上世纪90年代开始研制新型的液氧煤油火箭发动机和氢氧发动机,并与2010年前后先后定型,作为长征五号火箭的发动机使用。其中,推力50吨的YF-77火箭发动机就是其中的一种主力发动机。

氢氧发动机因为携带的燃料种类最轻(得益于液氢的低密度)而具备最大的比冲和最好的性能。尽管氢氧发动机的技术难度较大,但各主要航天大国均在氢氧火箭发动机的开发商取得了不小的进展。
  目前美、俄、日、欧都有各自独立的大推力氢氧发动机型号,其最大推力都在100吨以上。美国的SSME引擎甚至达到了213吨之多。而美国研制之中的RS-68型大推力氢氧发动机推力更是达到338吨。
 
  我国的氢氧发动机虽然在上世纪70年代就开始研制,但至今仅有两种小型氢氧发动机YF-73和YF-75投入使用,最大推力不过8吨。YF-77虽然已经定型投产,但其50吨的推力在各国的氢氧发动机中仍然属于推力较小的型号。
  因此,研发新一代大推力氢氧发动机是中国航天工业下一步的重要目标。

  中国的长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机。这两款新型发动机的推力和比冲都较小,尚未实用、性能已经落后,导致长征5号各构型需要使用的发动机数量都比较多。
  如系列中运载能力最强的长征5E,共有8台YF-100液氧煤油发动机、2台YF-77和2台YF-75D氢氧发动机;而运载能力相当的美国重型德尔塔4只有4台氢氧发动机。发动机数量过多会增加火箭制造成本、也会对火箭发射的可靠系数带来影响。
  航空专家指出,考察液体火箭发动机主要有2个指标,一个是最大推力,另外一个是比冲。在相同的发射重量下,火箭发动机的比冲越高,火箭的运载能力就越强。
  火箭发动机最大推力越大,所需的发动机数量就越少。资料显示国外目前均采用推力较大、比冲较高的高性能火箭发动机。而与美俄等先进航空大国的航空发动机数据相比,中国的液态氢氧发动机技术的确还落后不少。

美国研制中的RS-68氢氧发动机推力可达338吨
  国际公开资料显示,美国宇宙神5火箭使用引进的俄罗斯RD-180液氧煤油发动机,真空最大推力4320千牛,真空比冲337.8秒;俄罗斯质子火箭的RD-253液氧煤油发动机虽然相当老旧,但使用分级燃烧循环设计,真空最大推力仍然达到1830千牛。
  真空比冲316秒。在氢氧发动机方面,美国的德尔塔4火箭使用本国普惠公司生产的RD-68大推力氢氧发动机,这也是世界上推力最大的氢氧发动机,真空最大推力3445千牛,真空比冲409秒。
  欧空局的Ariane 5火箭使用法国斯奈克玛公司的Vulcain 2氢氧发动机,真空最大推力1340千牛,真空比冲431秒;日本H-IIA/IIB使用本国的LE-7A氢氧发动机,最大推力1098千牛,真空比冲442秒。相对来看,YF-100液氧煤油发动机真空最大推力为1340千牛,真空比冲约330秒;YF-77液氧液氧发动机真空最大推力约为70千牛,真空比冲428秒。  


中国YF-77液氢液氧发动机正式曝光
  在主要的地面启动液氧煤油发动机中,YF-100性能仅仅超过了老式的RS-27、RD-107和SpaceX廉价的Merlin等发动机,YF-77液氢液氧发动机更是在主流氢氧发动机中推力和比冲双垫底。
  结语:大推力航天火箭液态氢氧发动机,在大尺寸复杂曲面精密成形、精密数控加工、多种焊接技术、部组件装配试验、特殊表面涂层、超低温密封件等多项技术上,都提出了更高的挑战性要求,推力室、发动机喷管、阀门、涡轮泵等一系列关键零件制造技术需要研究突破。
  所以无论从航天工业基础还是材料领域,美俄等西方航天大国都认为中国在短时间内很难获得突破。然而在北京国防科技工业军民融合发展成果展上中国首台自主研制的大推力低温氢氧发动机---YF-77液氢液氧发动机正式曝光了。
  另外在2013年初,中国运载火箭技术研究院下属首都航天机械公司宣布启动“220吨级氢氧发动机”预先研究工作,该型发动机将用于中国航天重型运载火箭。



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