液氧煤油發動機

正當中國運動員在倫敦奧運賽場摘金奪銀時，陝西的群山之間2012年7月29日也傳出捷報：國產新一代大推力120噸液氧煤油火箭發動機點火熱試車再獲成功。

這款YF-100發動機，將是國產新一代長征五號運載火箭的主要“心臟”，而未來的國產空間站核心艙段、以及要降落月球取樣並返回的嫦娥五號衛星等，都將由長征五號送入太空。隨著該發動機的研製成功，中國航天朝著新階段又邁出了堅實一步。其實早在這次試車之前，國防科工局已於2012年6月完成了對YF-100發動機的項目驗收。這次試車的發動機，此前已經儲存了3年，並經歷過兩次極限工況試車考驗。媒體報道稱，這標誌著我國成為繼蘇聯/俄羅斯之後，第二個完全掌握“液氧煤油高壓補燃循環液體發動機核心技術”的國家。

“在新一代運載火箭液氧煤油發動機整機研製初期，失敗與挫折是家常便飯。發展航天，動力先行。從某種程度來說，人類探索太空的能力，取決於航天發動機的推力。新發動機將作為我國新一代運載火箭的動力系統，裝備長征五號、六號、七號運載火箭，為載人航天、月球探測等國家重大專項任務提供動力保障。以推舉神舟九號與天宮一號圓滿完成載人交會對接任務的長征二號F火箭為代表的我國現役長征系列運載火箭，雖已取得舉世矚目的成績，但其推力已經不能滿足未來航天技術發展的需求，研製新一代液體火箭發動機顯得格外迫切。

國家國防科工局剛剛完成了對該型號發動機的項目驗收，標誌著我國成為繼俄羅斯之後第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環液體火箭發動機核心技術的國家。

這台儲存了3年、此前已經歷過兩次極限工況熱試車考驗的發動機，在又一次的挑戰極限考驗中表現完美。這也表明中國航天動力正在經歷新舊更迭，將大大加快我國由航天大國向航天強國邁進的步伐。 2000年國家正式立項進入工程研製至今的12年間，液氧煤油發動機已先後進行了百餘次試車。從研製高壓補燃循環發動機開始，已突破80餘項關鍵和核心技術，先後研製出3種基本型發動機，以及5種適應不同火箭總體飛行狀態的發動機。

現階段使用的發動機單台推力是70噸左右，火箭的運載能力9噸上下。120噸級液氧煤油發動機採用了世界上最先進的高壓補燃循環系統，其推力比我國現有長征系列運載火箭發動機提高60%以上，運載能力是原來3倍左右，不僅採用的推進劑、循環方式與常規發動機不同，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設計參數上，也比現有發動機高出數倍，在推力噸位、性能方面有大幅度提高。與常規發動機相比，液氧煤油發動機還具備諸多的優點：

一、推力大。

二、沒有污染，液氧和煤油都是環保燃料，而且易於存貯和運輸。

三、經濟，比常規發動機推進劑便宜60%。

四、可靠性高。

五、可重複使用。

汽車、飛機、輪船的發動機，工作不僅要有燃料，還離不開氧氣的助燃。而運載火箭要克服地心引力飛向太空，升空加速比飛機還要快得多，燃料作功的效率也必須非常高，還得在超高空乃至外太空中工作，靠大氣中的氧氣是遠遠不夠的。因此火箭在燃料之外，還要自帶氧化劑，火箭大部分的體積、重量都是由這兩樣占著。

液氧煤油發動機是以液態氧為氧化劑，煤油為燃燒劑（燃料）的火箭發動機。採用這一方式的YF-100與以往的長征火箭發動機相比，效能提高了15—20%，可大大減少燃料攜帶，減少火箭的重量和體積；煤油價格較低，每次發射可節省1000多萬元；煤油與液氧都沒有毒，燃燒也只生成水和二氧化碳，不像以往的火箭發動機會產生劇毒污染。

補燃循環則是發動機閉式循環中的一種，原理是燃氣經渦輪作功后還會進入燃燒室，進行二次燃燒（補燃），從而更充分地釋放能量。補燃循環比另一種循環方式——發生器循環的效率更高，但結構較為複雜，設計難度較大。

此外媒體報道YF-100發動機可以“重複使用”，其實主要是指在台架試驗階段可以進行多次試車，並非發射后回收。僅此一項，仍足以大幅減少研製成本。

2014年8月，我國首台貯存5年的120噸級液氧煤油發動機，圓滿完成100秒額定工況試車考核，液氧煤油發動機使用維護和環境適應性進一步得到考核。

2021年3月5日，中國航天科技集團六院研製的500噸級液氧煤油火箭發動機，取得全工況半系統試車的圓滿成功。

意義

標誌著120噸級發動機向滿足火箭全任務剖面使用維護適應性邁出了堅實的一步。

航天活動需要先進的火箭發動機，載人航天等重大航天活動更需要高可靠性、高安全性、高性能、低使用成本的火箭發動機。上世紀五十年代末，蘇聯研製了RD-107、RD-108 和RD-0110 液氧煤油發動機，用於東方號、聯盟號等運載火箭，開創了人類載人航天的歷史，聯盟號火箭至今依然是載人航天的主要運載工具。六十年代，美國研製了推力 6900 kN 的 F-1 液氧煤油發動機，實現了載人登月的偉大壯舉。同時期，蘇聯研製了推力 1500 kN 的 NK-33 液氧煤油發動機，用於 N-1 載人登月火箭。八十年代，美國研製了太空梭及其大型固體發動機和 SSME 氫氧發動機，支撐了美國三十年的載人航天。與此同時，蘇聯研製了RD-170 液氧煤油補燃循環發動機，用於能源號運載火箭。蘇聯解體后，能源運載火箭停止使用，但是以RD-170 發動機為代表的航天動力技術使俄羅斯保持著航天大國的地位。主要型號有RD-170、RD-253、RD-171、RD-180、RD-191等等。此外還有美國的H-1、Kestrel、RS-27A以及英國BlueStreakRZ2液體發動機等。

2011 年，因使用、維護費用過高等問題，美國將太空梭退役，並開始研製新的重型運載火箭SLS。動力方面，SLS 近期採用現有的固體助推級和液氧液氫發動機，並同步啟動了大推力液氧煤油發動機研製，將 F-1 液氧煤油發動機改進為推力8000 kN 的 F-1B 發動機，開始研製推力 4450kN 的 AJ-1-E6 液氧煤油補燃循環發動機，計劃在2023 年後優化 SLS 運載火箭動力結構。近年來美國 SpaceX 公司的獵鷹 9、軌道科學公司的阿塔瑞斯運載火箭分別發射了龍飛船和天鵝座飛船，用於國際空間站補給。獵鷹 9 火箭採用 Mer-lin 液氧煤油發動機，阿塔瑞斯火箭採用俄羅斯的NK-33 液氧煤油發動機。

縱觀國外載人火箭，其主發動機的組成包括三種模式: 全液氧煤油發動機、液氧煤油發動機加氫氧發動機、固體發動機加氫氧發動機。其中，聯盟號、獵鷹 9 等運載火箭採用了全液氧煤油發動機模式，效費比最高，符合可靠性高、無毒環保、性能高、成本低、使用維護便捷的發展趨勢。

以 YF-20 系列四氧化二氮/偏二甲肼發動機為動力，我國成功實現了國人的飛天夢想。上世紀九十年代以來，我國開始研究新一代液氧煤油發動機，通過方案論證、技術引進、關鍵技術攻關和工程研製，目前已完全掌握了液氧煤油補燃循環發動機的關鍵技術。其中，1200 kN 發動機研製中突破了 34 項關鍵技術，開發了 48 種新材料。目前，1200 kN 和 180 kN 液氧煤油發動機基本研製完成，即將用於新一代運載火箭。

液氧煤油補燃循環發動機的研製，使我國在液體火箭技術領域實現了重大跨越，成為世界上第二個掌握此項技術的國家，實現了我國運載火箭的更新換代，將為我國新一代載人火箭提供強大的動力。

將以YF-100為“心臟”的長征五號火箭，是中國自主研發的新一代運載火箭。它使用模塊化、系列化設計，力圖提高可靠性，降低發射成本，能滿足多樣化的航天發射需求。

與以往的長征系列火箭相比，長征五號的芯級直徑首次增至5米，使用2台真空推力70噸的YF-77氫氧發動機；外部捆綁總計4個3.35米或2.25米直徑的助推器，分別使用2台或1台真空推力120噸的YF-100液氧煤油發動機。

如使用推力最大的組合方式，長征五號火箭將裝備4個3.35米直徑助推模塊，8台YF-100和2台YF-77的總推力可達1100噸，能把25噸載荷送入近地軌道（LEO），而發射“神舟”和“天宮”的長征二號F火箭只有7.8噸；能把14噸的有效載荷送入36000公里高的地球同步軌道（GTO），是長征三號乙火箭的近3倍。尤其是近地軌道運力，將超過同級的歐空局“阿里安”5、日本H-2A/B和美國的“宇宙神”5。

按中國載人航天“三步走”計劃，首個國產空間站將於2020年左右建成，其核心艙質量將達20噸級，遠超現有長征二號F火箭的運載能力；嫦娥探月工程在完成繞月、落月後，採樣返回的三期工程也需要更大運力的火箭；更遠期對火星、木星、近地小行星和小行星帶的深空探測，也需要更大運力的運載火箭。長征五號若能如期問世，將有效填補國產大推力火箭的空白。

此外，YF-100還將用於“長征”家族即將登場的兩位新兵——長征六號和長征七號。