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重磅!龙乐豪院士公开中国登月火箭进展,长征九号原型已经建成

 星辰大海种花家 2022-11-24 发表于浙江

11月22日,龙乐豪院士在央视新闻的采访中公开了CZ-9的进展,这是迄今为止最详细的长征九号火箭进度的重要信息:

  • 1、长征九号原型已经建成;

  • 2、一二三级发动机均已经进行了热火试验;

  • 3、8~10年内就会首发;

这表示CZ-9火箭的已经到了相当的成熟度,一二三级火箭热火测试,原型已经建成,非常振奋人心的消息,但笔者根据近期公布的信息却发现了一个惊人的问题,龙乐豪院士公开的信息存在很大的出入。

从早期助推器加芯级火箭到珠海航展上公布的不带助推器版本,经历了相当大的改变,特别是其装载的发动机,龙乐豪院士在7月份与最近公布的两份资料中差异相当大,一枚已经建成原型的火箭为何会变化那么大,究竟是怎么回事?

CZ-9巨型火箭:从芯级加助推器到无助推版

11月5日,航天科技集团六院自主研制的中国最大推力液体火箭发动机YF-130首次整机试车圆满成功,该型发动机设计推力500吨级,采用全球最大的补燃循环(分级燃烧循环)发动机推力室,标志着该型发动机研制取得重大突破!

这个发动机就是CZ-9的一级火箭发动机,而CZ-9就是传说中的中国巨型登月火箭,一级火箭将使用12台YF-130,此前的CZ-9的构型是这样的:

  • 助推器:数量4个,每个助推器为2台高压补燃液氧煤油发动机(YF-130)

  • 芯一级火箭:4台YF-130;

  • 二级火箭:2台220吨级高压补燃氢氧发动机(YF-90);

  • 三级火箭:4台25吨级膨胀循环氢氧发动机(YF-79);

500吨级的高压补燃液氧煤油发动机YF-130和25吨级的YF-79都已经成功,220吨级的氢氧机YF-90进展也一直很顺利,CZ-9已经呼之欲出,但很多朋友都不知道的是早在今年7月份,龙乐豪院士在《科创中国·院士开讲》第十二期节目公布了CZ-9的新构型:

此时的CZ-9已经从助推器版本换成了无助推器版,并且从外观来看也从一次性使用的火箭变成了可回收火箭,其中有几个参数特别引人注意,直径为10.6米,高度110米,4122吨起飞质量,5200吨总推力,LEO(近地轨道运载能力)为150吨,LTO(地月转移轨道)为50吨!

地月转移轨道最高为50吨,显然是冲着登月去的,但是它用的是什么发动机呢?在龙乐豪院士的PPT中也公布了:

  • 一级火箭:26台推力为200吨的液氧甲烷发动机;

  • 二级火箭:4台推力为120吨的氢氧发动机;

  • 三级火箭:1台推力为120吨氢氧发动机;

从PPT中我们可以看到,至少一级是可以回收的,火箭发动机燃料使用的是液氧甲烷,似乎也没啥问题提,毕竟克全可回收版都是液氧甲烷机,大家都在欢呼中国航天终于开始考虑回收火箭了。

但龙乐豪院士在最近公开的一份资料中,CZ-9的火箭发动机又发生了变化:直径为10.6米,高度114米,4122吨起飞质量,5873吨总推力,LEO(近地轨道运载能力)为100~160吨,LTO(地月转移轨道)为35~53吨!火箭发动机则为:

  • 一级火箭:24台推力为240吨的液氧煤油发动机;

  • 二级火箭:4台推力为120吨的氢氧发动机;

  • 三级火箭:1台推力为120吨氢氧发动机;

与7月份公开的资料相比,两者二三级并没有什么区别,但一级发动机不但数量有了变化,而且发动机的推力与燃料差别不是一般的大,从液氧甲烷机换成了液氧煤油机,两者到底有多大的区别呢,为什么会从甲烷换到煤油?

CZ-9巨型火箭:究竟液氧煤油还是液氧甲烷发动机?

7月份公布的是液氧甲烷发动机,11月份公布的是液氧煤油机,两者相比,究竟哪个更有优势呢?新版的CZ-9属于可回收火箭,煤油机容易积碳,目前全球在研制的可回收火箭都用液氧甲烷,那么我们为什么还会使用液氧煤油发动机?

作为火箭燃料:煤油和甲烷到底哪个更有优势?

以火箭燃料为标准,燃料最好无毒污染,比如早期火箭燃料硝酸-27s+偏二甲肼,也有四氧化二氮+偏二甲肼,但偏二甲肼不仅易燃易爆还有剧毒,不过好处是可以常温存放,因此到现在还用作液体火箭与导弹的燃料,不过使用面也越来越窄,各国纷纷开始选择无毒的燃料。

红棕色烟雾是偏二甲肼和四氧化二氮的特征

无毒燃料则主要以液氧煤油为主,煤油容易保存,而且这个火箭的煤油与航空煤油差了也不是很大,是公认的火箭环保燃料。

比液氧煤油更环保的是液氧液氢,这俩燃烧后就是水,而且还是纯净水,可以喝的那种!最环保无疑就是这种,但液氢不仅需要低温保存,而且密度只有煤油的10%,液氢的火箭燃料罐体积太庞大,这直接导致低温火箭体积比常温火箭要大得多。

后来马斯克搞出回收版火箭,各国纷纷跟进研发液氧甲烷发动机,原因也很简单,煤油的含碳量比较高,燃烧不完全容易积碳,特别是火箭发动机燃气发生器循环以及分级燃烧循环中的燃气涡轮泵,高温、大流量、高压力的环境下结焦与积碳简直就是个无解的问题。

无法解决这个问题的火箭发动机厂商纷纷采用甲烷回避这个技术难题,免得火箭发动机回收回来后就像糊了一坨屎,清理都很难。甲烷的含碳量比较小,并且是气态燃料,更重要的是液态甲烷的密度还有煤油的一半,虽然热值不如氢燃料,但密度高,燃料罐体积就能缩小,比氢燃料还是有些优势。

除了甲烷外,还有甲醇,目前也有多个航天企业在突破使用甲醇作为火箭发动机燃料,其实火箭的鼻祖,V-2导弹用的就是液氧酒精,不过煤油的热值(47MJ/kg)是酒精(30MJ/kg)的1.5倍以上,而甲烷的热值(55MJ/kg)则比煤油高,不过酒精密度和煤油差不多,如果在酒精和甲烷之间选择,个人认为还是甲烷略好,因为酒精分子结构复杂,成本很高,不如甲醇低成本,因此现代火箭中不会用酒精,在醇类燃料中肯定选甲醇,因为成本低,但热值也略低。

RD-180的煤油燃烧后的尾焰

一句话总结,煤油热值高、发动机比冲也高,但容易结焦积碳;甲烷不会结焦积碳,性能适中,甲醇热值低,比冲低,但成本也低,所以也有优势,可回收火箭发动机燃料的首选就是液氧甲烷。

为什么还用液氧煤油机

煤油其实挺符合火箭燃料要求的,比如无毒、热值高、密度大、常温保存等,保障要求很低,只要一台油罐车即可搞定,但上文也说明了在火箭发动机的预燃涡轮中结焦积碳比较严重,因此在可回收火箭中都不太待见煤油机,那么在CZ-9的火箭中为何还要用液氧煤油机呢?

SpaceX的猎鹰-9火箭:梅林1发动机就是烧煤油的

猎鹰-9是回收火箭的鼻祖,一级火箭用了9台梅林发动机,为什么SpaceX就能做到不结焦积碳?其实了解下梅林发动机的结构我们就能明白了:

这是梅林发动机试车时的场景,特征非常明显,主发动机冒出火舌,而旁边还有小喷口在喷出浓浓黑烟,梅林发动机不结焦积碳的秘密就在这里,这台发动机是开式循环,室压比较低,如下原理图:

液氧和煤油先送入预燃室燃烧后带动两个涡轮泵将液氧和煤油泵入燃烧室点火工作,而预燃室燃烧过的“废气”就排出火箭外部,这些浓浓黑烟就是未燃尽的燃气,为了避免预燃室的涡轮温度太高,这里的燃烧不是富燃就是富氧,大都是富氧,而排出的“废气”中就浪费了大量的氧气。

这就是燃气发生器循环(开式循环),如果将“废气”注入燃烧室再烧一次就是分级燃烧循环(闭式循环),开式循环的好处结构比较简单、预燃室室压低,比如梅林发动机室压才9.7MPa,容易制造生产,坏处是浪费了液氧,比冲大大下降。

梅林火箭发动机的涡轮泵

但却有了一个意外的收获,结焦和积碳的条件:高温、高流量、高压力中的压力下降,当然会改善结焦和积碳条件,再加上精炼煤油去硫,那么这个条件也能达到回收火箭的要求。不过液氧煤油回收还是存在难度的,在可回收的星舰巨型火箭中,马斯克还是开发了史上最强大的液氧液态甲烷版、全流量分级燃烧循环的猛禽发动机。

猛禽发动机的全流量分级燃烧循环

从SpaceX走过的路我们也可以参考,液氧煤油不是不能回收,前提是以低室压和低比冲作为代价,换来可回收的液氧煤油版发动机,那么问题来了,CZ-9发动机到底是哪款液氧煤油机呢?

很可能是基于YF-130的减半版本

《宇航总体技术》2020年第2期关于500吨级火箭发动机的进展介绍中提到了我国正在开发100t级—200t级—400t级推力的基础级发动机型谱,满足小、中、大和重型运载火箭对基础级动力的需求:

100吨级我们已有YF100系列高压补燃液氧煤油火箭发动机,400吨级我们也有YF130高压补燃液氧煤油火箭发动机,实际上现在已经提升到500吨级,目前缺少的是200吨级,基于YF130减半可极大节省研发成本和研制难度。因此第5款大推力常规发动机最有可能是我国正在研制的推力超过240吨的单室高压补燃液氧煤油发动机。

因此我们有理由相信,240吨的液氧煤油发动机很可能就有YF-130的减半版,并且可以将室压提高到25MPa(因为YF-130的18MPa太保守了),推力甚至将远高于240吨,可能未来的CZ-9的发动机数量还可以继续减少。

不过YF-130是分级燃烧循环(也称高压补燃或者闭式循环),室压比梅林发动机高出真正一倍,并且YF-130并没有考虑回收设计,那么我们还是比较怀疑240吨的液氧煤油发动机是否可以回收。

所以问题又回到了原点,CZ-9的发动机到底是液氧煤油机还是液氧甲烷机?说了半天还是未能确定,实在是抱歉,因为就目前而言官方给出的信息比较混乱,暂时还无法准确判断。

延伸阅读:登月火箭的运载能力为什么需要50吨

登月的门槛大概是50吨左右,也就是说要将大约50吨的总质量送往月球轨道,至于是几次倒是问题不大,一次可以,两次也行,三次也不是不行,只要不嫌麻烦与风险增加,那么四次五次也是可以的。

登月的经典结构是阿波罗时代留下的:指令舱、服务舱、登月飞船(下降级+上升级),尽管已经过去了50多年,这个结构也有了一些改变,比如登月飞船可能会将上升与下降级合并,阿尔忒弥斯计划中的登月版星舰就是单级的,而我国可能会参考单级但也有可能使用分离版。

虽然技术上有了长足的进步,但重量却没减下来多少,反而有加重的趋势,比如土星五号总起飞重量只有3000吨左右,而新版的登月火箭却一个比一个重,原因也很简单,大家都赋予了登月火箭更多的任务,比如考虑载人登陆火星以及未来得木星与土星探测等。在综合多个因素的考虑下,目前的登月火箭在地月转移轨道门槛也就变成了50吨左右。

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