看過(guò)我視頻的朋友恐怕都有印象,，印度的大火箭GSLV mkⅢ的上面級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力20噸，超過(guò)中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)YF-75D的9噸。很多朋友表示不服,，認(rèn)為這肯定是假消息,。我再重申一遍這并不是假消息，所有信息都是公開(kāi)的,，大家都可以查到,。但是,，今天我必須再深入解釋一下這個(gè)差距,，因?yàn)橹袊?guó)剛剛試車了25噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。剛好可以用來(lái)比較一下,，兩家的真正差距是什么,。我是東城觀星，接著說(shuō)火箭那些事,。

一,、印度的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力領(lǐng)先中國(guó)，到底是怎么回事

說(shuō)出來(lái),，你可能不相信,，印度的20噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，并不是從其它國(guó)家采購(gòu)的,，而是自行研制的,，只不過(guò)參考了俄羅斯的發(fā)動(dòng)機(jī)。從推力上來(lái)說(shuō)確實(shí)超過(guò)了中國(guó)的上面級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī),。但是,，中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)使用的YF-75D是膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，而印度的CE-20是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，CE-20跟中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)使用的50噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-77工作原理類似,。只不過(guò)YF-77是低空工作，而CE-20是高空工作,。

你可能認(rèn)為,，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)要比燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更復(fù)雜、更先進(jìn),。那你只理解對(duì)了一半,，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)是新一代的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以認(rèn)為更先進(jìn),。但是,，一般來(lái)說(shuō)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于其他類型的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、推力更小,，而不是更復(fù)雜,、推力更大。

CE-20

YF-75D

目前，世界上掌握膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的有美國(guó),、俄羅斯,、歐空局、日本和中國(guó),。相對(duì)來(lái)說(shuō),，中國(guó)是入局比較晚的國(guó)家，技術(shù)上還有一定的差距,。但這次25噸級(jí)閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的成功,，卻讓中國(guó)大大縮小了與領(lǐng)先國(guó)家的差距，同時(shí)還有局部參數(shù)的領(lǐng)先,，至少推力目前是世界上最高的,。

中國(guó)閉式膨脹循環(huán)技術(shù)加持的25噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，和印度的20噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)并不在一個(gè)水平線上,，而是提高了一個(gè)技術(shù)維度,。下面我們講講膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

二,、什么是膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，有什么優(yōu)勢(shì)

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，有三大優(yōu)勢(shì),，分別是性能高,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高,。

我記得很多年前,，曾經(jīng)寫過(guò)一篇小文章，提到了創(chuàng)新,，那時(shí)候我還不太了解火箭發(fā)動(dòng)機(jī),，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)了解也不多。當(dāng)時(shí)我就想,，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的同時(shí),，還排出了很多廢熱，如果能把這些廢熱利用起來(lái),，沒(méi)準(zhǔn)還可以用來(lái)烤面包,。所有的熱機(jī)，之所以效率不高,，都是因?yàn)橛泻芏鄰U熱白白浪費(fèi)掉了,，多利用一些廢熱，就會(huì)減少一些損失,。后來(lái)才知道,，汽車的渦輪增壓技術(shù),，其實(shí)就是利用廢熱的一種方式，利用了更多的廢熱,，也就提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能,。

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，恰恰是利用廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī),。大家應(yīng)該都知道,，氫氣在氧氣中燃燒能產(chǎn)生高達(dá)3000℃的高溫，任何材料都難以長(zhǎng)時(shí)間承受如此高的溫度,。為了減少高溫對(duì)火箭內(nèi)部材料的燒蝕,，往往需要一定的冷卻技術(shù)，及時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度,。最簡(jiǎn)單的辦法,，就是用燃料來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于液氫燃料來(lái)說(shuō),，通過(guò)管路冷卻完發(fā)動(dòng)機(jī)以后，自己就變成了高溫的氫氣,。體積明顯膨脹,，然后讓這些熱氣去帶動(dòng)液氫的渦輪泵，渦輪泵再把高壓氫氣注入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒,。所謂肥水不流外人田,，渦輪泵無(wú)需外力做功，就可以高效工作,，從而提高了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)460多秒的比沖,，比其他各種類型的化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖都高。

閉式膨脹循環(huán)

膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多,，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并不代表研發(fā)也簡(jiǎn)單。之所以說(shuō)它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，是因?yàn)椴恍枰~外設(shè)計(jì)推動(dòng)渦輪泵的裝置,。其它發(fā)動(dòng)機(jī)要么需要安裝電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪泵，要么需要額外的預(yù)燃燒室來(lái)產(chǎn)生熱氣驅(qū)動(dòng)渦輪泵,。增加裝置意味著增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不需要增加那些結(jié)構(gòu)，只需要科學(xué)設(shè)計(jì)燃料流動(dòng)的管路就可以,，通過(guò)燃料罐的壓力推動(dòng)燃料流進(jìn)管道,，然后在流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻管路中被加熱膨脹，膨脹后的熱氣推動(dòng)渦輪泵，把更多燃料從貯箱里面抽出來(lái)送進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī),。

聽(tīng)起來(lái)挺簡(jiǎn)單的,，實(shí)際設(shè)計(jì)起來(lái)，絕非易事,。怎樣設(shè)計(jì)管路和流量,，既要高效冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，又要有足夠強(qiáng)的力量帶動(dòng)渦輪泵,，還要盡量減少浪費(fèi),，把所有燃料全部送進(jìn)燃燒室燃燒。這些無(wú)不考驗(yàn)著設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力,。這種發(fā)動(dòng)機(jī)很難實(shí)現(xiàn)大推力,，因?yàn)槭菬釟錃夂腿紵业膲簭?qiáng)差推動(dòng)了渦輪泵，壓強(qiáng)差越大,，渦輪泵效率越高,。而高壓氫氣推動(dòng)完渦輪泵以后還要進(jìn)入燃燒室，燃燒室里面本來(lái)就有很高的壓強(qiáng),，如果循環(huán)產(chǎn)生的高壓氣體壓強(qiáng)比燃燒室壓強(qiáng)低的話,，根本無(wú)法推動(dòng)渦輪泵，壓強(qiáng)差不夠大,，渦輪泵的功率也不會(huì)太高,。所以就算美國(guó)和俄羅斯的膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，推力也不過(guò)10噸左右,。中國(guó)這次實(shí)現(xiàn)25噸級(jí)的膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，不得不說(shuō)是一個(gè)重要突破。

當(dāng)然,，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)還有另外一條路線可以提高推力,，那就是開(kāi)式膨脹循環(huán)。也就是推動(dòng)渦輪泵旋轉(zhuǎn)的熱氫氣并不送進(jìn)燃燒室燃燒,，而是直接排掉,。這樣對(duì)于渦輪泵來(lái)說(shuō)，就可以獲得足夠大的氣體壓差,，可以獲得足夠大的功率,。從而可以突破閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力限制，理論上可以實(shí)現(xiàn)百噸級(jí)推力,，但是由于會(huì)浪費(fèi)一部分燃料,，工作效率會(huì)有所下降，比沖也會(huì)偏低,。日本主要采用這樣的技術(shù)路線,，目前正在研發(fā)百噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),。

再簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)可靠性高的問(wèn)題,。由于膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，相對(duì)于其它類型的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，關(guān)鍵部件少，啟動(dòng)過(guò)程相對(duì)比較平穩(wěn),，推動(dòng)渦輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)的高壓氫氣溫度相對(duì)比較低,，渦輪泵不必在高溫下工作，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行起來(lái)可靠性也就會(huì)比較高,。比如日本的膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，在火箭發(fā)射故障，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷不充分,、燃料箱箱壓不足的情況下依然可以正常點(diǎn)火平穩(wěn)工作,，充分體現(xiàn)了這類發(fā)動(dòng)機(jī)的高可靠性。

三,、中國(guó)25噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的不足

相對(duì)于美國(guó)的同類型發(fā)動(dòng)機(jī)466秒比沖來(lái)說(shuō),，中國(guó)最新25噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖只有450多秒，還有一定的提升空間,。這主要是發(fā)動(dòng)機(jī)噴管不夠大造成的,，美國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管面積比達(dá)到了1:285，中國(guó)的噴管面積比設(shè)計(jì)值只達(dá)到1:160,，提升空間還比較大。那位朋友說(shuō)了,，不就是一個(gè)噴管嗎,？設(shè)計(jì)個(gè)大的不就行了嘛？

絕對(duì)沒(méi)有想象的這么簡(jiǎn)單,，一個(gè)噴管,，不可能做太大，要不然火箭上面根本裝不下,，重量更是不能太重了,，否則通過(guò)擴(kuò)大噴管換來(lái)的性能提升，還趕不上噴管質(zhì)量增加帶來(lái)的性能損失,。美國(guó)的RL-10B發(fā)動(dòng)機(jī),，采用的是碳復(fù)合材料可折疊噴管，本身重量就小,，通過(guò)折疊還可以減少占據(jù)的體積,，發(fā)射到太空以后再伸展開(kāi)獲得高性能。

中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)使用的膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，使用金屬噴管,，面積比只有1:80,，造成比沖性能只有442秒，性能大打折扣,，跟印度的434秒比優(yōu)勢(shì)也不明顯,。最新的25噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)采用碳陶復(fù)合材料，兩段組合方案,，比沖達(dá)到450秒以上,，性能比長(zhǎng)征五號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)有了明顯的提升，但距離世界最高水平還有差距,，未來(lái)還有改進(jìn)空間,，面積比有望達(dá)到1:260，比沖有望超過(guò)460秒,。另外,，新發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)范圍相對(duì)于長(zhǎng)征五號(hào)有了質(zhì)的突破，YF-75D不能調(diào)節(jié)推力,，最新發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)推力60%-100%,。但是相對(duì)于美國(guó)的20%-100%，還有不小的差距,。

好了,，就說(shuō)這么多吧。大家覺(jué)得新發(fā)動(dòng)機(jī)到底算是一臺(tái)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)還是一臺(tái)落后發(fā)動(dòng)機(jī)呢,？這款發(fā)動(dòng)機(jī)有沒(méi)有機(jī)會(huì)替代YF-75D,，用到長(zhǎng)征五號(hào)和921火箭上面呢？請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)發(fā)表您的觀點(diǎn),。

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