60吨级大推力液氧甲烷火箭发动机全系统试车成功

2013-10-24

环球网报道，近日我国新一代火箭液氧甲烷发动机全系统首次点火试车获得成功，它是目前世界上最先进的同类发动机。该发动机代号可能为YF-75，推力60吨，有望用于我国未来的天地往返运输系统，即空天飞机。

资料图：为长征5号火箭开发的YF-77火箭发动机试车，新型甲烷液氧发动机基于YF-77研制

大推力液氧甲烷火箭发动机领域中国处于世界领先地位

报道称，中国航天科技集团公司六院101所依托数十年的氢氧发动机试验经验和先进试验技术，通过各类挤压试验、联动试验、点火试验等一系列针对液氧甲烷发动机的研究试验工作，掌握了液氧甲烷发动机的技术特点，突破了甲烷操作、预冷、安全排放、发动机冷甲烷处理等技术难点，采取严格技术措施控制风险，顺利完成了此次全系统试车。

据“深空网”消息，中国此次试验的是以我国新一代液氧煤油火箭发动机YF-77为基础研制的60吨级液氢甲烷火箭发动机。另据消息，我国同时也在以YF-100氢氧火箭发动机为基础研制液氢甲烷火箭发动机。这两种发动机的工作循环原理存在区别，分别适应不同的使用环境。

美国CECE发动机，同样采用甲烷动力，其采用非常先进的膨胀循环技术。但与中国新型发动机相比，其推力很小，计划用于深空探测器动力

据资料，日本曾在LE-7液氢液氧火箭发动机上进行过改用甲烷的试验，其推力应该大于中国的60吨级发动机，但未投入实用，也没有继续发展。俄罗斯目前正在研制有2400kN的甲烷火箭发动机推力在200吨以上，并且正在和法国斯奈克玛公司展开合作研制“伏尔加”（Volga）发动机，计划用于欧空局未来运载火箭准备项目（FLPP），该项目还计划在上面级上采用甲烷发动机。2009年7月，欧空局开始试验“伏尔加”发动机演示器。但这些发动机均尚处于试制阶段。

2010年5月5日,美国航空喷气公司(Aerojet)在美军白沙导弹试验场成功完成了推力为2.5 吨的液氧甲烷火箭发动机的高空试车。该发动机是航空喷气公司研制的第1代液氧甲烷发动机，用于NASA探索技术发展计划中的先进低温推进和发展项目，属于小推力液氢甲烷火箭发动机。此外美国还在研制CECE发动机，该发动机技术十分先进，但也属于小推力发动机。

相比之下中国YF-75发动机在2011年进行了分系统验收和试验，今年首次全系统试车，成为目前世界上最先进的大推力液氢甲烷火箭发动机。

何为液氢甲烷发动机，它的前景如何

液氧/甲烷是非常古老的液体火箭发动机推进剂组合，1931年，德国研制了世界上第一台液氧/甲烷（液化天然气，LNG）发动机，开创了液氧/甲烷火箭发动机的研究历史。

从物理性能看，甲烷属于低温推进剂，沸点为-161℃，其维护使用条件与液氢基本相同。在烃类燃料中，甲烷粘性最小，是煤油的1/3。液态甲烷经过再生冷却后已接近气态或已经是气态。因此，在燃烧室里喷嘴雾化的液滴细，蒸发快，燃烧速率高，具有燃烧性能好、燃烧稳定性高的优点。

近日传出消息，美国Space X公司也计划研制液氧甲烷发动机，用于未来的火星探测任务（图片来源：深空网）

但由于甲烷沸点比液氢高很多，因此压缩液化相对要容易很多，在贮箱的绝热设计上也更容易，加上比重要比液氢大，因此环节了贮箱结构死重问题。

甲烷的另一大优点是比热高，是仅次于液氢的优良冷却剂，相比煤油不容易结焦，利用设计合理的再生冷却结构，可以带走推力室和其他热端部件的热量，并且可以采用对再生冷却有很高要求的分级燃烧循环或者膨胀循环，理论上氢氧低温发动机都具有改造为液氧/甲烷发动机的可能。

膨胀循环主要用于上面级发动机，而上面级重量的减轻有助于降低下面级的性能要求，对多级火箭总体设计的全面优化有好处。即便是采用燃气发生器循环，由于结焦极限温度接近1000℃，因此可以提高燃气发生器的工作温度，甲烷燃气发生器的效率可达98%，而煤油只有62%～81%。

根据液氧/甲烷发动机的优点，其应用方向包括两个方面：其一是用于可重复使用运载器，由于甲烷冷却性能良好、结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗等特点，液氧/甲烷发动机是可重复使用运载器较为理想的选择；其二是用于运载器的上面级和长期在轨飞行器，由于液氧和甲烷沸点分别为90K和112K，接近空间温度，便于空间长期贮存，同时贮箱间无需特殊的绝热结构，因此液氧/甲烷发动机是未来无毒空间飞行器较好的动力选择。

YF-75可能是我国未来空天飞机的理想动力

据外媒报道，我国在未来可重复使用航天飞行器领域已经进行了深入的研究，据报道至少存在“神龙”和“翱天”两个空天飞机验证机项目。

2004年，中新社消息称，时任中国运载火箭技术研究院副院长鲁宇在当时举行的2004年国际空间法研讨会上发言时透露，中国计划在2020年左右研制成功第一代可重复使用运载器。

网络图片，中国可重复使用航天飞行器验证机“神龙1号”自由飞模型

中国航天的远期目标是建成完善的航天运输系统，以研制重复使用运载器为重点，首先研制出两级重复使用运载器，初步建立满足市场需求的天地往返运输系统，计划在2020年左右研制成功中国第一代可重复使用运载器。同时开展单级入轨的关键技术研究，重点突破轻质材料和先进的推进系统，最终研制出快速、机动、廉价、可靠的单级入轨重复使用运载器。

外媒绘制的中国未来空天飞机设想图

同一次会议上，鲁宇透露了中国正在研制的新一代模块化运载火箭的消息，也就是近期正在紧锣密鼓研制中的长征5、6、7系列火箭。