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YF-100

液氧煤油火箭发动机

YF-100是中國航天推進技術研究院研發的一款120噸級液氧煤油火箭發動機。[2]YF-100採用了自啟分級燃燒循環技術，發動機混合比和推力均可調節，[3]是新一代長征系列運載火箭的主要發動機。其應用標誌着中國成為俄羅斯後第二個掌握液氧煤油分級燃燒循環火箭發動機的國家。[4]

YF-100
中國國家博物館展出的YF-100發動機
原產國 中國
首次試車2015年9月20日
設計者航天推進技術研究院
用途芯級發動機，助推器發動機
相關產品長征五號、長征六號、長征七號、長征八號
上一代產品RD-120（英語：RD-120）
現狀現役
液態火箭發動機
推進劑液氧 / 煤油
混合比2.6 (±10%)，可調節
系統富氧預燃分級燃燒循環
構造
燃燒室1
噴管面積比35
性能
推力（真空）1,339.48 kN（301,130 lbf）
推力（海平面）1,199.19 kN（269,590 lbf）
推重比63.7
燃燒室壓力18 MPa（2,600 psi）
比衝（真空）335.1秒（3.286公里每秒）
比衝（海平面）300.0秒（2.942公里每秒）
燃燒時間155 s（估計）
尺寸
長度2.991公尺（117.8英寸）
直徑1.347公尺（53.0英寸）
用於
長征五號助推器
長征六號第一級
長征七號第一級和助推器
長征八號第一級和助推器
參考文獻
參考文獻[1]

歷史

1970年代以來，中國航天所採用的長征系列運載火箭大量採用四氧化二氮和偏二甲肼作為推進劑。[5]然而該組合具有劇毒和強腐蝕性，[5][6]儘管採用該種推進劑的發動機相對成熟，但發動機推力難以增加，並且推進劑的諸多劣勢限制了火箭性能的進一步提升。[7]在此背景下，1980年代中國在863計劃下開始研究新一代運載火箭方案，大推力液氧烴推進劑發動機關鍵技術研發被提上日程，主要工作由西安航天動力研究所（航天科技集團六院）開展。[8][9]從1986年9月到1988年10月，研究團隊進行了10次液氧與烴燃料的點火燃燒實驗，確定了使用液氧煤油的路線。[8]1990年代早期，中國從前蘇聯引進了三台RD-120發動機，其成為了YF-100的研發樣板。[10][11]雖然RD-120所採用的分級燃燒循環技術難度極大，加上YF-100的高設計標準導致項目必須攻克一系列新材料及工藝，六院的研製人員依舊堅持使用該方案，認為：「這樣就可以一步把我國火箭發動機研製落後世界水平十幾年的差距趕過來。」[8]1995年，研發團隊使用RD-120進行了兩次熱試車，驗證了國產航天煤油應用於火箭發動機的可行性。[12]1995年同年，針對液氧煤油發動機進行的工藝預研及攻關課題達到了130項。[8]1998年初，渦輪泵聯動試驗取得成功。[13]為了驗證預研部件的可靠性，研究人員在1999年進行了100噸工況組合件聯動實驗，但實驗因發生燃燒現象而以失敗告終。[8]

2000年9月，中華人民共和國國務院批准立項「120噸級液氧煤油發動機」，正式進入工程研製階段。2001年10月發動機開始初樣研製，2005年12月轉入了試樣階段。[14]項目在初期研發上遇到了許多問題：2001年，連續四次發動機試車均以失敗告終，[13][15]其中還連續兩次發生了爆炸，甚至無法找到發動機殘骸。[16][17]發生中國航天歷史上絕無僅有的失敗後，外界對項目的可行性提出了質疑，研發單位因此面臨了極大的壓力。[8]由於發動機採用了分級燃燒循環，渦輪泵的高壓力和高轉速導致的巨大震動，令整機無法進行長時期高工況試車。[8]最突出的問題是6Hz的低頻振動，由於發動機採用了整體擺動的方式，最後只能通過提高剛度和增大搖擺力臂解決。[18]2005年，為YF-100建造的亞洲最大的液體火箭發動機試車台建成，同年發動機200秒試車成功。[12][19]2006年7月3日，首次600秒長程試車獲得了成功，[8][19][20]隨後在2007年11月完成了300秒搖擺整機試車。[21]到了2008年5月，YF-100累計試車時間已經達到17700秒，並通過了推力矢量控制搖擺考核。[22]同年，發動機完成了飛行狀態試車，然後在2010年完成了雙機並聯試車。[8]

2012年5月28日，YF-100通過了國防科工委的驗收[23]。隨後在2014年6月23日，發動機通過了首飛鑑定，標誌着YF-100正式進入了工程應用階段。[24]2015年9月20日，使用YF-100GBI的長征六號首飛成功。[25]研發團隊在研發過程中攻克了80餘項核心技術，獲得了近20項專利授權。[7]中國航天科技集團六院院長譚永華稱：「120噸級液氧煤油發動機的研製成功，將為我國載人航天工程、月球探測工程以及下一步深空探測工程奠定堅實的基礎。」[26]

2017年6月2日，採用泵後擺動技術的改進型號YF-100K試車成功，中國成為第二個掌握該技術的國家。[27]2018年7月，為火箭上面級設計的高空型號YF-100M首次整機熱試車成功。[28]

2021年9月20日，隨着搭載着天舟三號貨運飛船的長征七號遙四運載火箭發射成功，YF-100發動機累計交付發射產品數量突破100台。[29]

設計細節

YF-100是一款採用泵壓式補燃循環的單推力室液體火箭發動機，推進劑為液氧煤油。[4]其是中國首個採用自身啟動，補燃循環，可調混合比和推力技術的發動機。[3]並且可以單向或雙向搖擺，實現推力矢量以控制火箭姿態。[4]發動機採用高壓分級燃燒循環，全部氧化劑在使用泵增壓後被注入預燃室，燃料則在增壓後分成兩路，部分燃料被送入預燃室被點燃，所產生的高溫燃氣隨之推動發動機渦輪和泵。[30]隨後，預燃室包含着氧化劑的排氣和未點燃的燃料一起注入燃燒室，和大部分燃料一起再次燃燒（即補燃），從而充分利用燃料。[30][31]

YF-100與傳統的四氧化二氮和偏二甲肼發動機相比，採用的液氧煤油推進劑具有無毒和經濟上的優勢。[7]液氧及煤油來源廣泛，與特殊推進劑相比價格低廉。[30]發動機的性能也有顯著優勢，與採用燃氣發生器循環的發動機相比比沖性能提高了10%以上。[30]YF-100的擺動設計令火箭可以用發動機進行姿態控制，其推力可以在65%至105%區間，[32]混合比可以在±10%區間調節，可以提高運載火箭的性能。[3][30]該型發動機在研發之處就已按照多次使用設計，已經實現了單台發動機多次試車，為未來開發可重複使用的長征火箭奠定了基礎。[30][33]採用泵後擺的改進型號YF-100K相對於YF-100採用的整體擺動而言，僅通過擺動噴管實現推力矢量，整體結構更加緊湊。[34]同時，改進型增大了推力並簡化了維護性能，縮小的體積也令並聯更多發動機更加容易，從而進一步提升運載火箭運力。[35]

型號

 
2018年珠海航展上展出的YF-100K發動機，採用泵後擺技術

現役型號

  • YF-100F（STVC）：用於長征五號助推器，長征七號助推器和長征八號助推器，該型號推力矢量控制為單擺。[36][37]
  • YF-100G（DTVC）：用於長征七號第一級和長征八號第一級，該型號推力矢量控制為雙擺。[36]
  • YF-100GBI：用於長征六號第一級。因長征六號第一級僅採用單台YF100，僅使用單個噴口無法控制火箭滾動。該型號分流了一部分預燃器排氣從而驅動一組姿態控制噴嘴，以此控制火箭滾動，代價是損失0.30%的海平面推力和0.79%的海平面比沖，而發動機混合比則增加了0.12%。[38]

研髮型號

  • YF-100K：採用泵後擺技術的增推型號，將用於長征十號基本型的通用芯級（第一級、助推器）。[35]其具備大範圍連續變推力、長壽命高可靠等關鍵技術。[39]
  • YF-100M：YF-100K的高空型號，將用於長征十號的第二級。[40]
  • YF-100N: 基於液氧煤油補燃循環泵後擺發動機改進的130噸級重複使用發動機[41]。用於長征十號二級構型的第一級發動機的可回收型號。
 
試車台上的130噸級重複使用液氧煤油發動機（即YF-100N）
YF-100系列發動機各型號比較[30][32][38]
名稱 推力 比沖 燃燒室壓力 混合比 噴管面積比 推力調節範圍 混合比調節範圍 推力矢量 噴管直徑 高度 重量
海平面 真空 海平面 真空
YF-100 1199.19kN 1339.48kN 2942m/s 3286m/s 18MPa 2.6 35 65％-105％ ±10% 整體擺動 1347mm 2991mm 1920kg
YF-100GBI 1195.59kN - 2918.76m/s - 18MPa 2.6 35 65％-105％ ±10% 整體擺動 1347mm 2991mm 1920kg
YF-100K[42] 1250kN 1396kN 2958m/s 3304m/s 18.7MPa 2.6 35 65％-105％ - 泵後擺動 1373mm 3728mm 1820kg
YF-100M - 1460kN - 3454.9m/s 18.7MPa 2.6 90 65％-105％ - 泵後擺動 2160mm - -

參見

參考資料

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