長征六號運載火箭是中華人民共和國上海航天技術研究院(中國航天科技集團公司第八研究院)正在研製的新一代無毒無汙染小型液體運載火箭。於2015年9月20日7時01分,長征六號在太原衛星發射中心點火發射,成功將20顆微小衛星送入太空。根據中國新一代運載火箭的發展思路,研製新一代運載火箭應堅持無毒、無汙染、低成本、高可靠、適應性強、安全性好的發展原則形成的“一個係列、兩種發動機、三個模塊”的總體發展思路。新一代運載火箭係列中規劃的小型運載火箭,可以滿足小型有效載荷的發射需求,也符合小型運載火箭的總體規劃。其中一個係列就是我們熟知的長征係列火箭,兩種發動機就是液氧煤油發動機和液氫液氧發動機,三個模塊就是大、中、小三個模塊即大型火箭長征五號、中型火箭長征七號、小型火箭長征六號。
液氧煤油發動機簡介
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係統,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係列運載火箭,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、此前已經曆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曆新舊更迭,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。
火箭運載能力
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采用了世界上最先進的高壓補燃循環係統,其推力比我國現有長征係列運載火箭發動機提高60%以上,運載能力是原來3倍左右,不僅采用的推進劑、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、性能方麵有大幅度提高。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、沒有汙染,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。
優勢
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。采用這一方式的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,燃燒也隻生成水和二氧化碳,不像以往的火箭發動機會產生劇毒汙染。
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後還會進入燃燒室,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,並非發射後回收。僅此一項,仍足以大幅減少研製成本。
試車
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。
意義
標誌著120噸級發動機向滿足火箭全任務剖麵使用維護適應性邁出了堅實的一步。
前景
將以YF-100為“心髒”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、係列化設計,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。
與以往的長征係列火箭相比,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火箭隻有7.8噸;能把14噸的有效載荷送入36000公裏高的地球同步軌道(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“阿裏安”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,采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。