研製原因
為了追趕世界先進水平,中國開始大推力氫氧發動機的研製工作。隨著空間技術和空間套用的發展,中國著手論證新一代運載火箭方案,逐步確立了具有“一個系列,兩種發動機,三個模組”特點的新一代運載火箭方案,大推力氫氧發動機YF-77便是兩種發動機中的一種。
為了順中國應空間技術和空間套用的發展,為長征五號芯一級研製的YF-77火箭發動機於2001年開始立項研製。
結構與性能
結構
YF-77採用燃氣發生器循環,雙渦輪分別驅動液氫泵和液氧泵工作方式。(詳情請參閱燃氣發生器循環條目)性能
YF-77具有混合比和推力調節功能,以提高火箭運載能力。
特點
YF-77作為氫氧發動機,和其他常規發動機相比有以下特點:1、高能,單位質量的液氧液氫反應放出的能量高於一般火箭推進劑;
2、零污染,氫氧燃燒產生的唯一物質是水,和推進劑一樣都不是毒有害物質;
3、推進劑超低溫,液氫的沸點為-252℃,這樣的低溫給發動機工作帶來挑戰;
YF-77還有其它的特點:
4、大推力,是中國推力最大的氫氧火箭發動機。
套用
YF-77將被用於長征五號火箭5米直徑芯一級模組。芯一級模組包含兩台YF-77發動機,發動機雙擺。伴隨芯一級模組,YF-100將會被用於長征五號系列的所有火箭(構型A到F)。(詳情請參閱長征五號詞條)
研發歷程
研製歷史
作為新一代運載火箭芯級的液氫液氧發動機可算得上白手起家了。中國研究氫氧發動機開展得很早,1970年就開始第一台氫氧發動機YF-70的研製,但是由於基礎工業落後和低溫氫氧發動機的高難度,發展道路艱辛無比。真空推力約8噸的YF-75氫氧發動機是長征三號甲、乙、丙迄今為止的唯一可選的氫氧發動機。1994年2月3日日本H-II火箭首發射成功,標誌著LE-7大推力氫氧發動機開始投入使用。為了追趕世界先進水平,上世紀90年代中國開始大推力氫氧發動機的研製工作,在縮比試驗階段也試圖使用LE-7發動機一樣的高壓補燃循環(即分級燃燒循環)方式,當時規劃的分級燃燒循環大推力氫氧發動機代號YF-78。此後不清楚是技術難度太大,還是歐空局火神和美國RS-68發動機採用燃氣發生器循環的影響,中國大推力氫氧發動機最終採用了燃氣發生器循環設計,地面推力50多噸,代號YF-77,於2001年正式立項。2001年12月大推力氫氧發動機研製立項獲得批覆,發動機關鍵技術攻關全面展開。
但是2007年卻遭遇了國內外罕見的重大技術障礙,先後四次試車結果不理想,直接影響到整個研製進展。研製人員在發動機推力室從強度分析、振動分析,以及產品結構設計等方面上進行了改進,效果不理想後又改用“一大四小”的改進方案:使用隔板噴嘴,改進推力室結構,提高面板連線強度。終於在2009年12月,發動機轉入試樣研製階段,這標誌著中國氫氧發動機的設計、生產、試驗技術步入了新台階。
試車時間表
時間 | 研製階段 | 試車時長(s) | 備註 |
---|---|---|---|
2004年6月18日 | 首次全系統試車 | ||
2005年1月5日 | 初樣 | 50 | 首次滿工況整機熱試車 |
2006年1月15日 | 初樣 | 200 | |
2006年8月3日 | 500 | ||
2007年11月8日 | 500 | ||
2008年5月20日 | 500 | ||
2008年12月4日 | 500 | ||
2009年6月30日 | 500 | ||
2009年7月21日 | 500 | 極限工況 | |
2009年10月26日 | 大噴管搖擺狀態,首次全特性、全形度搖擺熱試車;累計8676秒 | ||
2009年11月 | 500 | ||
2009年12月 | 試樣 | 500 | 2009年第9次長程試驗,全系統大噴管長程試驗 |
2012年5月16日 | 試樣 | 520 | 此次試車為確定發動機首飛技術狀態奠定了基礎 |
2012年8月17日 | 500 | 標誌著長征五號火箭首飛發動技術狀態已經確定 |
歷經十年艱苦攻關,至2012年8月17日,YF-77發動機關鍵技術全部突破,累計試車22000秒。
試車圖片
- 2008年12月4日YF-77試車
- 2012年8月17日YF-77試車
意義
研製YF-77不但實現了我國氫氧發動機推力由8噸到70噸(真空)的跨越,而且有力推動了材料工藝、低溫工程、氫能利用等相關領域的科技創新和技術進步。總結
YF-77發動機在技術距離世界先進水平較遠。從推力上說,YF-77可以說是世界新一代運載火箭氫氧發動機中推力最小的型號,不僅無法與德爾塔 IV火箭RS-68發動機的 344噸真空推力相比,也遠低於阿里安5上火神2發動機的137噸真空推力和日本H-IIA/B火箭上LE-7A的112噸真空推力。
在氫氧發動機的比衝上,YF-77發動機偏低。美國的RS-68發動機針對大氣層內飛行環境做了最佳化,地面比沖高達359秒接近了太空梭主發動機(SSME)的水平。日本的LE-7A發動機採用分級燃燒循環,在比衝上天然的對燃氣發生器循環有優勢,真空比沖442秒。
綜合的說,YF-77發動機在技術上大致相當於歐空局火神發動機的水平。