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近日，我国重型运载火箭25吨级膨胀循环氢氧发动机首台推力室挤压试验取得圆满成功。其推力是我国现役上面级氢氧发动机的 3 倍，达到世界先进水平。此外就是美国现役推力达到 11 吨的 RL10 膨胀循环氢氧发动机，以及隶属于欧洲航天局，目前正在开发中，且设计推力达到 18 吨的芬奇Vinci膨胀循环氢氧发动机。
这意味着我国的新型火箭发动机，是目前世界上推力最大的膨胀循环氢氧上面级发动机，正好凑齐了支撑深空探测任务的“三大神器”，成为了我国由航天大国迈向航天强国的标志性产品。 所谓“三大神器”，分别是指“500 吨级液氧煤油火箭发动机”、“220 吨级补燃循环氢氧发动机”，以及本次实验成功的“25 吨级膨胀循环氢氧发动机”。它们要为以后的长征九号重型运载火箭提供动力。
上图：长征九号 在未来，长征九号将用于中国深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设（如空间太阳能电站）等任务。它设计采用三级半构型：四枚助推器分别配置 2 台 500 吨级液氧煤油火箭发动机（YF-130）；芯一级配置 4 台 YF-130；芯二级配置 2 台 220 吨级补燃循环氢氧发动机（YF-90）；芯三级则是 4 台 25 吨膨胀循环氢氧高空发动机，最终火箭全长 93 米，芯级最大直径达到 10 米级。
上图：从左到右，超级猎鹰、土星五号、新格伦、长征九号。 如此巨大的体型也使得长征九号起飞质量超过 4000 吨，但其近地轨道运载能力也高达 150 吨，地月转移轨道运载能力更是超过美国土星 5 号运载火箭的 50 吨运力。 那究竟什么是膨胀循环氢氧发动机？与其他发动机相比有什么特点？ 氢氧发动机是火箭发动机发展的主要方向之一，能为火箭腾飞提供充足的动力源。其使用的燃料——液氢和液氧，在一定时间内燃烧一定量的燃料所产生的推力比，要比其他燃料高上不少。而且燃料的燃烧产物绝大部分是水，所以在氢氧火箭发动机完全可以称得上是绿色环保无污染。
但由于氢氧在常温下处于气态，所以作为燃料的液氢、液氧温度极低。因此为保证液氧和液氢能在发动机内部稳定输送，就需要采用特制的低温合金材料，与更复杂的推进剂注入方式。 目前，对于液体推进剂火箭，通常使用四种不同的方式为推进剂注入腔室提供动力。而对于液氢、液氧这样的低温燃料，则多选择分级燃烧循环与膨胀循环两种。
上图：分级燃烧循环 分级燃烧循环也被称为补燃循环，正好是我国“220 吨级氢氧发动机”注入推进剂的方式。这种发动机有两种燃烧室：第一个称为预燃室，第二个称为主燃烧室。它需要将一种推进剂的全部先经过发动机喷嘴处的热交换机加热，再进入预燃室与另一种推进剂的小部分进行燃烧。通过燃烧产生的燃气吹动涡轮泵增压，增压后的燃气再注入主燃烧室与剩余的大部分推进剂进行二次燃烧。
值得注意的是，虽然二次燃烧使得燃料效率更高，但也使得发动机的复杂性大大增加，因此，这类发动机不仅推力较高，其质量也更重，不利于小型化。而为了降低复杂性，膨胀循环也就有了用武之地。
上图：膨胀循环 在这个循环中，燃料用于冷却发动机的燃烧室，同时吸收热量。之后经过加热变为气态的燃料为涡轮机提供动力，再由涡轮机驱动发动机的燃料泵和氧化剂泵，并注入燃烧室进行燃烧。不过虽然膨胀机循发动机的复杂性较低，但流向燃料的热传递限制了涡轮的可用功率，从而限制了发动机推力。 而目前我国的膨胀循环氢氧发动机，顺利达到 25 吨级，又创下了一个世界之最。据介绍，它拥有高性能、高可靠等优点，具备多次起动和大范围变推力调节能力，是大型、重型运载火箭上面级和空间飞行器的优选动力。
据了解，25 吨级膨胀循环氢氧发动机前期已完成发动机系统方案设计与仿真、火炬电点火器试验验证、推力室缩比试验验证和氢涡轮泵介质试验验证等工作。再加上本轮又进行了 2 次热试验圆满成功：分别为 60% 和 100% 额定工况，标志着该型发动机核心关键技术取得全面突破，也为之后的长征九号奠定了坚实的基础。
当中国有了运力和美国土星五号火箭大致相当，并超过正在研制的美国下一代运载火箭（SLS）的长征九号，就可以完全满足我们未来的载人月球探测、火星取样返回以及太阳系行星探测等多种深空探测任务需求，彻底保障了中国在未来宇宙探索和更大更远空间的话语权。 延伸阅读 长征九号也将延续长征五号系列化模块化发展思路，总共有三个型号，分别是长征-9、长征-9A、长征-9B。
上图：从左至右，长征-9、长征-9A、长征-9B 三个型号的不同之处在于助推器数量，其中长征-9 是四助推最大运力版，长征-9A 是两助推、无助推则是长征-9B。近地轨道运力分别对应150吨、100吨、50吨。有趣的是，2028 年计划实施的火星采样返回任务，设计使用的是无助推的长征-9B。 |
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