“長征七號”發(fā)動機新在何處

2016年6月20日，“長征七號”運載火箭在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功?！伴L征七號”作為我國新一代運載火箭的代表，使用了新型的火箭發(fā)動機。那么，與我國原有的火箭發(fā)動機相比，新型的火箭發(fā)動機到底新在何處呢？

更新的推進劑

我國現(xiàn)有的“長征二號”“長征三號”和“長征四號”等火箭主要使用YF- 20發(fā)動機及其衍生型號，這種發(fā)動機使用偏二甲肼和四氧化二氮作為推進劑，其中偏二甲肼是易燃易爆且有劇毒的危險品，而四氧化二氮則具有腐蝕性，遇水便會形成具有更強腐蝕性的硝酸。盡管這種推進劑組合可以在常溫下儲存，并且具有極高的比沖（比沖即單位重量推進劑產生的沖量），但隨著時代的發(fā)展，人們越來越難以忍受它劇毒且污染大的缺點，于是液氧煤油組合成了一種用以替代的更好的推進劑。

此次發(fā)射的“長征七號”火箭使用了YF- 100發(fā)動機，并使用全新的液氧煤油組合作為推進劑。液氧煤油推進劑比偏二甲肼和四氧化二氮推進劑的比沖大，并且煤油、液氧都是無毒、無污染的綠色推進劑，具有安全環(huán)保的優(yōu)勢。另外，液氧煤油推進劑還具有廉價的優(yōu)勢。據官方介紹，“長征七號”使用液氧煤油推進劑后，推進劑成本比老式推進劑降低了約60%，每次發(fā)射節(jié)省大約1000萬元人民幣。

別樣的循環(huán)方式

“長征七號”使用的YF- 100發(fā)動機還有一個技術上的獨特設計——高壓補燃循環(huán)技術。高壓補燃是火箭發(fā)動機的一個新技術概念，所謂高壓就是壓力大，所謂補燃就是需要進行二次補充燃燒。根據我們對高壓氣瓶等常見高壓器具的了解，高壓就意味著更危險，那么新一代的YF- 100發(fā)動機為什么要選擇高壓，并且還要進行二次燃燒呢？要解答這些疑惑，我們就要從火箭發(fā)動機的推進劑輸送說起。

火箭推進劑儲箱又大又薄，內部壓力并不大。而火箭發(fā)動機卻要把推進劑燃燒產生的燃氣從噴口高速排出以產生推力，因此燃燒室中的壓力并不小，比如YF- 100燃燒室內就高達180個大氣壓。這就需要強力的輸送泵對推進劑進行增壓，以使推進劑順利進入主燃燒室進行燃燒。要把推進劑增壓到比主燃燒室壓力更高的狀態(tài)，就要依靠高性能的推進劑燃燒產生的強大驅動力！YF- 100發(fā)動機的補燃循環(huán)是這樣一個過程：預燃燒室中部分推進劑燃燒產生的燃氣推動渦輪輸送泵后，沒有充分燃燒的燃氣繼續(xù)進入主燃燒室進行完全燃燒，二次燃燒的過程讓推進劑得到了徹底的利用。簡而言之，主燃燒室壓力極高，并且推進劑在預燃室和主燃燒室內進行了兩次燃燒，這整個過程就是所謂的高壓補燃循環(huán)。

更強大的性能

YF- 100發(fā)動機的先進性不單單停留在理論層面上，它的實際表現(xiàn)也要比老式發(fā)動機強得多，這主要集中體現(xiàn)在高比沖和大推力上。

YF- 100發(fā)動機使用了高壓補燃循環(huán)，避免了推進劑的浪費，加上高壓下推進劑在主燃燒室內燃燒得更為充分，因此高壓補燃循環(huán)火箭發(fā)動機的比沖也要更高一些，這有利于火箭提高運力。根據齊奧爾科夫斯基公式，發(fā)動機在比沖上的線性提高，相應火箭的運力便會呈指數級提高。對比老一代的YF- 20發(fā)動機，YF- 100發(fā)動機的比沖提高了15%左右，所以使用YF- 100發(fā)動機的“長征七號”的運載系數，也就是衛(wèi)星質量占火箭發(fā)射質量的比例也要高得多。例如，“長征七號”的運載系數為2.26%，而“長征二號F”（使用YF- 20發(fā)動機）的則為1.77%，YF- 100發(fā)動機的運載系數提高了大約27.7%，其性能優(yōu)勢可見一斑。

YF- 100發(fā)動機不僅比沖高，它的推力也比老一代發(fā)動機更大。無論是神舟飛船還是北斗衛(wèi)星，或是嫦娥探測器，都由使用YF- 20發(fā)動機的長征火箭發(fā)射升空，但它的地面推力僅有75噸，而YF- 100發(fā)動機的地面推力可達120噸，真空推力更是高達136噸之多，和YF- 20發(fā)動機相比提高了約60%以上。

YF- 100發(fā)動機的高比沖和大推力使得“長征七號”的運載能力得到了巨大的提高。發(fā)射神舟飛船的“長征二號F”的運力只有8.5噸，而“長征七號”的運力則達到了13.5噸之多。運力的提高使得“長征七號”足以發(fā)射更大更重的飛船和衛(wèi)星，而它也將成為中國航天發(fā)射領域未來二三十年內的頂梁柱?？梢赃@么說，沒有YF- 100這樣先進環(huán)保的火箭發(fā)動機，就沒有“長征七號”這樣性能出色的運載火箭。