音頻科普：-長(zhǎng)征六號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)有哪些新技術(shù)？

2015年9月20日，我國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心升空，成功將20顆微小衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，創(chuàng)造了我國(guó)“一箭多星”的新紀(jì)錄。在這次發(fā)射中，長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭采用了我國(guó)新研制的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國(guó)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的首次實(shí)例發(fā)射。
　　這樣振奮人心的消息傳來，相信有很多專業(yè)人士不免又要不平靜了。但是對(duì)于普通民眾來說，似乎有一些信息太專業(yè)了，比如“氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”、“高壓補(bǔ)燃循環(huán)”等等。不過，您也別急，我們就不妨來聊聊長(zhǎng)征六號(hào)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)究竟都用了哪些新技術(shù)。
　　長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭，是由上海航天技術(shù)研究院研制的新一代無毒無污染小型液體運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征六號(hào)為三級(jí)火箭，這一火箭成本低、高可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好，有許多新技術(shù)是在中國(guó)國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，研制難度也很大。長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭于2009年獲得國(guó)家正式批復(fù)立項(xiàng)，并于2013年12月在太原衛(wèi)星發(fā)射中心完成場(chǎng)箭合練。
　　長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用了兩款我國(guó)自主研制的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第一級(jí)使用了YF-100型液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)使用了YF-115型液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)名字聽起來離我們很遙遠(yuǎn)，我們不妨先從“什么是液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)”開始說起。
　　液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是以液態(tài)氧為氧化劑，煤油為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與以往的長(zhǎng)征火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用液氧-煤油推進(jìn)劑的長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，效能提高了15-20%，可以大幅減少燃料攜帶量，減少火箭重量和體積；煤油價(jià)格較低，發(fā)射成本也得到有效降低；煤油與液氧由于沒有毒，燃燒只生成水和二氧化碳，所以也避免了產(chǎn)生劇毒污染的情況。
　　在此之前，長(zhǎng)征二、三、四系列運(yùn)載火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)，都是使用偏二甲肼為燃料，四氧化二氮為助燃劑。這兩種物質(zhì)和它們的燃燒產(chǎn)物都有很強(qiáng)的毒性，儲(chǔ)存與加注時(shí)需要非常小心，落地的火箭殘骸也會(huì)污染環(huán)境。從1970年起，美國(guó)禁止在本土生產(chǎn)偏二甲肼，歐洲“阿里安”火箭使用的偏二甲肼也一直從其他國(guó)家購買，并且在遠(yuǎn)離本土的法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射。從世界范圍來看，四氧化二氮-偏二甲肼推進(jìn)劑屬于逐漸被淘汰的技術(shù)，取而代之的是液氧-煤油和液氧-液氫推進(jìn)劑。而此次長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的就是液氧-煤油推進(jìn)劑。從此，我國(guó)運(yùn)載火箭進(jìn)入了“綠色環(huán)?！钡男聲r(shí)代。
　　?聽到這里，可能會(huì)有人產(chǎn)生疑惑，液氧-煤油推進(jìn)劑中使用的煤油，是我們俗稱的“火水”嗎？想要解決這個(gè)問題，我們還得扒一扒煤油的歷史。
　　現(xiàn)在的人們接觸煤油并不多，然而，在電燈普及前，煤油是主要的照明能源。清光緒二十二年（1896年），我國(guó)開始從國(guó)外進(jìn)口煤油，首次進(jìn)口5000加侖。從此，煤油走進(jìn)了中國(guó)老百姓的日常生活當(dāng)中。彼時(shí)的煤油，全部依靠國(guó)外進(jìn)口，因此大家稱之為“洋油”，廣東人成為“火水”。
　　那么，煤油究竟是什么呢？事實(shí)上，煤油是碳原子個(gè)數(shù)為11-17的烴類混合物，屬于輕質(zhì)石油產(chǎn)品，是通過石油分餾或裂化而得到的。煤油無色透明，含有雜質(zhì)時(shí)呈淡黃色，略具臭味，平均分子量在200~250之間，密度大約為每立方厘米0.8克，不溶于水，易溶于醇和其他有機(jī)溶劑，易揮發(fā)，易燃。
　　煤油除了被用作照明能源以外，還用于動(dòng)力能源和制藥等化工領(lǐng)域。其中，大家最熟悉的就是航空煤油了。
　　現(xiàn)在大部分的商業(yè)航班都是使用航空煤油作為動(dòng)力能源。盡管航空煤油和照明煤油含有的烴類物質(zhì)是相似的，但他們的混合比例以及雜質(zhì)含量有著明顯的差異。這主要是為了滿足航空煤油的一系列指標(biāo)，包括發(fā)熱值、密度和低溫性能以及粘度等等。我國(guó)對(duì)航空煤油的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其凈熱值每公斤不小于10250大卡，密度不低于0.775克/立方厘米，冰點(diǎn)不得高于-55?—-60攝氏度。要達(dá)到這些指標(biāo)，就需要對(duì)生產(chǎn)煤油的整個(gè)工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
　　正如航空煤油需要對(duì)煤油的特定指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制一樣，航天發(fā)動(dòng)機(jī)使用的煤油也是有特定的指標(biāo)要求的。然而，這并不是長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用的煤油和“火水”的唯一差別，因?yàn)殚L(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用的煤油不是從石油提煉的，而是從煤提煉的，被稱之為“煤基煤油”。
　　長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用的煤基航天煤油，是由神華集團(tuán)和中國(guó)航天科技集團(tuán)共同研制的，是世界首次將煤基煤油應(yīng)用到航天領(lǐng)域。此前，我國(guó)航天中也少量使用煤油作為飛行器調(diào)整姿態(tài)時(shí)的動(dòng)力能源，但都需要采用特定油田的特定原油來加工，而且資源也比較稀少。
　　如果火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沒有可以使用的動(dòng)力能源，就急需研發(fā)一種新型航天煤油。為此，在2013年開展了煤基航天煤油的研發(fā)，并于2015年4月12日，使用新型煤基航天煤油的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)熱試車圓滿成功，這標(biāo)志著我國(guó)煤基航天煤油走向?qū)嶋H應(yīng)用。相比以前的石油基燃料，煤基航天煤油依托我國(guó)豐富的煤炭資源，造價(jià)更為低廉，對(duì)外依存度也更低。
　　這樣看來，長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用的煤油，和我們俗稱的“火水”，雖然同屬“煤油”這個(gè)大家庭，但因?yàn)楹教烀河蛯?duì)指標(biāo)的特殊要求，在制作工藝、各烴類混合比、雜質(zhì)等方面都和“火水”有明顯的差異。此外，長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭使用的航天煤油來源于煤，相比于傳統(tǒng)石油基航天煤油，更適應(yīng)我國(guó)礦石能源構(gòu)成，成為我國(guó)航天事業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展的重要基石。
　　關(guān)于燃料的問題相信大家已經(jīng)有所了解了，那在節(jié)目一開始我們提到的“高壓補(bǔ)燃循環(huán)”又是什么呢？
　　高壓補(bǔ)燃循環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)閉式循環(huán)中的一種，也叫分級(jí)燃燒循環(huán)。在高壓補(bǔ)燃循環(huán)中，一部分燃料在預(yù)燃室燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓苿?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和泵。隨后，預(yù)燃室的廢氣和推進(jìn)劑一起注入燃燒室，從而更充分地釋放能量。高壓補(bǔ)燃循環(huán)的主要優(yōu)勢(shì)是所有燃?xì)夂蜔崃慷纪ㄟ^燃燒室排放，基本沒有損失，而且，能承受非常高的燃燒室壓力，這樣能使更大膨脹比的噴嘴可以用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。
　　美國(guó)研制的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則采用了開式循環(huán)，也叫燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。上世紀(jì)60年代，美國(guó)人研制了推力高達(dá)680噸的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于迄今最大的運(yùn)載火箭“土星5號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了人類首次登月。不過，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)雖然強(qiáng)大、可靠，卻未能解決高壓補(bǔ)燃的技術(shù)難題，只好使用效率不高的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)技術(shù)。相比于高壓補(bǔ)燃循環(huán)，燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)雖然能增加發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，但還有一個(gè)明顯的劣勢(shì)就在于效率的損失。
　　長(zhǎng)征六號(hào)一飛沖天。它的第一級(jí)使用的是YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面比沖為300秒。軍迷朋友對(duì)“比沖”這個(gè)詞應(yīng)該很熟悉，但是對(duì)于不少人來說，“比沖”究竟說的是什么，可能就有些模糊不清了。
　　事實(shí)上，比沖是對(duì)火箭引擎燃料利用效率的一種描述，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量就是比沖。它的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位是“米/秒”。
　　比沖的本質(zhì)就是燃料燃燒時(shí)的“噴流速度”。所以，很多資料會(huì)告訴你，比沖越大，發(fā)動(dòng)機(jī)越厲害。這很好理解，無論是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還是飛機(jī)上的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，它們提供動(dòng)力的原理就是燃料燃燒并向后噴射。根據(jù)動(dòng)量守恒，噴射物的速度越大，其帶給飛行器的反推力就越大。
　　有了液氧-煤油這樣綠色時(shí)代下的燃料，再加上先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，2015年9月20日，我國(guó)自主研制的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隨長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭成功完成首次實(shí)例發(fā)射。
　　此次發(fā)射從2000年開始立項(xiàng)；2001年10月，開始了初樣研制；2003~2007年，科研團(tuán)隊(duì)攻克了主要技術(shù)難關(guān)，新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)基本趨于穩(wěn)定。2005年，開始了漫長(zhǎng)的試樣試驗(yàn)階段。2012年5月，通過驗(yàn)收。12年的積累和不斷創(chuàng)新告訴我們，液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將成為中國(guó)新一代運(yùn)載火箭的主要?jiǎng)恿Α?br> 　　好的，今天的非?？茖W(xué)到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號(hào)“feichangkexue”來關(guān)注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非常科學(xué)”與我們節(jié)目組進(jìn)行互動(dòng)。主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽，并誠(chéng)邀您明天同一時(shí)間繼續(xù)與我們相約《非?？茖W(xué)》。



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