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第52集 长征六号的发动机有哪些新技术?

第52集 长征六号的发动机有哪些新技术? 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-08   浏览数:
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  2015920日,我国长征六号运载火箭在太原卫星发射中心升空,成功将20颗微小卫星送入预定轨道,创造了我国“一箭多星”的新纪录。在这次发射中,长征六号运载火箭采用了我国新研制的液氧煤油火箭发动机,是我国液氧煤油火箭发动机的首次实例发射。

  这样振奋人心的消息传来,相信有很多专业人士不免又要不平静了。但是对于普通民众来说,似乎有一些信息太专业了,比如“氧煤油火箭发动机”、“高压补燃循环”等等。不过,您也别急,我们就不妨来聊聊长征六号火箭的发动机究竟都用了哪些新技术。

  长征六号运载火箭,是由上海航天技术研究院研制的新一代无毒无污染小型液体运载火箭。长征六号为三级火箭,这一火箭成本低、高可靠、适应性强、安全性好,有许多新技术是在中国国内首次应用,研制难度也很大。长征六号运载火箭于2009年获得国家正式批复立项,并于201312月在太原卫星发射中心完成场箭合练。

  长征六号运载火箭使用了两款我国自主研制的液氧煤油火箭发动机,第一级使用了YF-100型液氧煤油火箭发动机,第二级使用了YF-115型液氧煤油火箭发动机。这两个名字听起来离我们很遥远,我们不妨先从“什么是液氧煤油发动机”开始说起。

  液氧煤油发动机是以液态氧为氧化剂,煤油为燃料的火箭发动机。与以往的长征火箭发动机相比,采用液氧-煤油推进剂的长征六号运载火箭发动机,效能提高了15-20%,可以大幅减少燃料携带量,减少火箭重量和体积;煤油价格较低,发射成本也得到有效降低;煤油与液氧由于没有毒,燃烧只生成水和二氧化碳,所以也避免了产生剧毒污染的情况。

  在此之前,长征二、三、四系列运载火箭的主发动机,都是使用偏二甲肼为燃料,四氧化二氮为助燃剂。这两种物质和它们的燃烧产物都有很强的毒性,储存与加注时需要非常小心,落地的火箭残骸也会污染环境。从1970年起,美国禁止在本土生产偏二甲肼,欧洲“阿里安”火箭使用的偏二甲肼也一直从其他国家购买,并且在远离本土的法属圭亚那库鲁航天中心发射。从世界范围来看,四氧化二氮-偏二甲肼推进剂属于逐渐被淘汰的技术,取而代之的是液氧-煤油和液氧-液氢推进剂。而此次长征六号运载火箭发动机使用的就是液氧-煤油推进剂。从此,我国运载火箭进入了“绿色环保”的新时代。

  ​听到这里,可能会有人产生疑惑,液氧-煤油推进剂中使用的煤油,是我们俗称的“火水”吗?想要解决这个问题,我们还得扒一扒煤油的历史。

  现在的人们接触煤油并不多,然而,在电灯普及前,煤油是主要的照明能源。清光绪二十二年(1896年),我国开始从国外进口煤油,首次进口5000加仑。从此,煤油走进了中国老百姓的日常生活当中。彼时的煤油,全部依靠国外进口,因此大家称之为“洋油”,广东人成为“火水”。

  那么,煤油究竟是什么呢?事实上,煤油是碳原子个数为11-17的烃类混合物,属于轻质石油产品,是通过石油分馏或裂化而得到的。煤油无色透明,含有杂质时呈淡黄色,略具臭味,平均分子量在200~250之间,密度大约为每立方厘米0.8克,不溶于水,易溶于醇和其他有机溶剂,易挥发,易燃。

  煤油除了被用作照明能源以外,还用于动力能源和制药等化工领域。其中,大家最熟悉的就是航空煤油了。

  现在大部分的商业航班都是使用航空煤油作为动力能源。尽管航空煤油和照明煤油含有的烃类物质是相似的,但他们的混合比例以及杂质含量有着明显的差异。这主要是为了满足航空煤油的一系列指标,包括发热值、密度和低温性能以及粘度等等。我国对航空煤油的标准规定,其净热值每公斤不小于10250大卡,密度不低于0.775/立方厘米,冰点不得高于-55 -60摄氏度。要达到这些指标,就需要对生产煤油的整个工艺过程进行严格的控制。

  正如航空煤油需要对煤油的特定指标进行严格控制一样,航天发动机使用的煤油也是有特定的指标要求的。然而,这并不是长征六号运载火箭使用的煤油和“火水”的唯一差别,因为长征六号运载火箭使用的煤油不是从石油提炼的,而是从煤提炼的,被称之为“煤基煤油”。

  长征六号运载火箭使用的煤基航天煤油,是由神华集团和中国航天科技集团共同研制的,是世界首次将煤基煤油应用到航天领域。此前,我国航天中也少量使用煤油作为飞行器调整姿态时的动力能源,但都需要采用特定油田的特定原油来加工,而且资源也比较稀少。

  如果火箭发动机没有可以使用的动力能源,就急需研发一种新型航天煤油。为此,在2013年开展了煤基航天煤油的研发,并于2015412日,使用新型煤基航天煤油的火箭发动机整机热试车圆满成功,这标志着我国煤基航天煤油走向实际应用。相比以前的石油基燃料,煤基航天煤油依托我国丰富的煤炭资源,造价更为低廉,对外依存度也更低。

  这样看来,长征六号运载火箭使用的煤油,和我们俗称的“火水”,虽然同属“煤油”这个大家庭,但因为航天煤油对指标的特殊要求,在制作工艺、各烃类混合比、杂质等方面都和“火水”有明显的差异。此外,长征六号运载火箭使用的航天煤油来源于煤,相比于传统石油基航天煤油,更适应我国矿石能源构成,成为我国航天事业长足发展的重要基石。

  关于燃料的问题相信大家已经有所了解了,那在节目一开始我们提到的“高压补燃循环”又是什么呢?

  高压补燃循环是发动机闭式循环中的一种,也叫分级燃烧循环。在高压补燃循环中,一部分燃料在预燃室燃烧,产生高温燃气,推动发动机的涡轮和泵。随后,预燃室的废气和推进剂一起注入燃烧室,从而更充分地释放能量。高压补燃循环的主要优势是所有燃气和热量都通过燃烧室排放,基本没有损失,而且,能承受非常高的燃烧室压力,这样能使更大膨胀比的喷嘴可以用在发动机上。

  美国研制的液氧煤油火箭发动机则采用了开式循环,也叫燃气发生器循环。上世纪60年代,美国人研制了推力高达680吨的F-1液氧煤油发动机,用于迄今最大的运载火箭“土星5号”,实现了人类首次登月。不过,这个发动机虽然强大、可靠,却未能解决高压补燃的技术难题,只好使用效率不高的燃气发生器循环技术。相比于高压补燃循环,燃气发生器循环虽然能增加发动机的比冲,但还有一个明显的劣势就在于效率的损失。

  长征六号一飞冲天。它的第一级使用的是YF-100发动机。这款发动机的海平面比冲为300秒。军迷朋友对“比冲”这个词应该很熟悉,但是对于不少人来说,“比冲”究竟说的是什么,可能就有些模糊不清了。

  事实上,比冲是对火箭引擎燃料利用效率的一种描述,火箭发动机单位重量的推进剂产生的冲量就是比冲。它的标准国际单位是“米/秒”。

  比冲的本质就是燃料燃烧时的“喷流速度”。所以,很多资料会告诉你,比冲越大,发动机越厉害。这很好理解,无论是火箭发动机,还是飞机上的涡喷发动机,它们提供动力的原理就是燃料燃烧并向后喷射。根据动量守恒,喷射物的速度越大,其带给飞行器的反推力就越大。

  有了液氧-煤油这样绿色时代下的燃料,再加上先进的发动机作为动力,2015920日,我国自主研制的液氧煤油火箭发动机随长征六号运载火箭成功完成首次实例发射。

  此次发射从2000年开始立项;200110月,开始了初样研制;2003~2007年,科研团队攻克了主要技术难关,新型火箭发动机技术状态基本趋于稳定。2005年,开始了漫长的试样试验阶段。20125月,通过验收。12年的积累和不断创新告诉我们,液氧煤油火箭发动机将成为中国新一代运载火箭的主要动力。

  好的,今天的非常科学到这里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”来关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们节目组进行互动。主持人亚楠代表编辑制作感谢大家的收听,并诚邀您明天同一时间继续与我们相约《非常科学》。


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