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为什么要同时发展500吨液体火箭发动机和500吨的固体火箭发动机?

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10月19日,由我国自主研制的目前世界最大推力整体式固体火箭发动机试车成功。该发动机直径3.5米,推力达500吨,采用高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、超大尺寸喷管等多项先进技术,发动机综合性能达到世界领先水平。


前不久,我国又最新研发的三型火箭发动机获得成功——500吨级液氧煤油发动机、200吨级和25吨级液氧液氢补燃发动机,分别用作重型火箭的一、二、三级。三型发动机的推力、比冲等核心指标均达到国际一流水平。


那么问题就来了,我国为什么要同时发展500吨液体火箭发动机和500吨的固体火箭发动机?

先看三则旧闻:

长征九号原构型为2011的捆绑式:一级采用4台500吨的YF-130煤油液氧发动机,助推是8台。二级采用2台220吨级氢氧机,三级采用2台25吨级氢氧机。

马斯克的“大玩具”:B4超重型助推器已吊装到发射台,配备29台猛禽发动机,采用低温液态甲烷和液氧混合燃烧提供动力,单台推力230吨,29台总推力6670吨。美国当年登月用的土星五号火箭的总推力大概3408吨,B4的推力是它的两倍多。在尺寸方面,B4高约70米,直径则有9米,

长征九号2021构型光杆型:一级采用16台360吨级液氧煤油YF-135发动机,二级采用4台120吨级氢氧机,三级采用1台120吨级氢氧机。芯一级直径10.6米,芯二级直径10.6米,芯三级直径7.5米。长征九号经历了多个版本,分别是4助推型、2助推型及光杆型,其中运载能力最大版本LEO运力在150吨以上,世界在研火箭中,仅次于Spacex的星舰。


从上面三则旧闻可以看出,长征9显然受到B4的影响——猛禽的单台推力才230吨,所以我们长征9也从500吨的YF-130换成了360吨的YF-135,怎么还越换越小呢?500吨的YF-130,是双推力室构型。YF-135是YF-130的下一代发动机,是单室构型,而且各项指标如单室推力、比冲、推重比、室压均高于130。YF-135作为我国下一代高性能航天发动机,也称为360吨级高压补燃液氧煤油发动机,是未来30年世界上最先进的液氧煤油发动机之一。该型发动机的主要性能指标:海平面推力3600千牛;海平面比冲312秒;发动机质量4吨;推力调节范围25至110%(具备可回收能力);适用于3.35米、5米、7.5米和10.6米级舰体,据西方社交媒体分析,目前已经完成样机研制。


从上面可以看出,YF-135与YF-130最大不同是高压补燃与重复利用,高压补燃火箭发动机又称分级燃烧循环火箭发动机。利用富燃预燃室或富氧预燃室的燃气作用驱动涡轮,再将涡轮排气引入主燃烧室进行充分燃烧的液体推进剂高压火箭发动机。为了缩小发动机的结构尺寸,提高功率密度和减少比冲相损失,常选用高压补燃火箭发动机。重复利用好理解。

但是说了这么多,似乎没500吨的固体火箭发动机什么事,下面就慢慢道来。看下图,


火箭的两侧装的就是固体火箭,而且美国已退役的航天飞机的侧助推器,推力在1400吨左右。美国正在研发的SLS(上图)的侧助推器,推力在1600吨左右。

欧洲航天局阿丽亚娜火箭的侧助推器,推力在700吨左右。据报道:航天科技集团四院已经在开展基于500吨推力整体式固体发动机,直径3.5米级分段发动机的研究,发动机分5段,最大推力将达到千吨级以上。这么大的推力,那还要液体火箭干什么?直接用固体火箭不行吗?从上图中我们可以看到,两侧的固体火箭是一节一节的。它的推力的增加是通过增加串联式舱段实现的。


从上图我们可以看明白,固定火箭的燃烧室就在舱段里面,它的下部就是喷口,上部就是点火器,当点火器点火,整个舱段内部按设计布局有燃烧,再经喷囗喷出。整个火箭就是一个火箭发动机,结构极其简单,它的难点就是固体燃料成份、燃料填充布局与工艺,火箭外壳强度。当需要增加推力时,只需要增加燃烧舱段,但其外壳所承受的压力也倍增,美国航天飞机的助推器就用上四个舱段,后来设计又增加到5个舱段,结果航天飞机出事停飞了,还用上。看下图,这就是典型的串联式。


与固体火箭不同,大型液体火箭采用的是并联式,结构更为复杂,但是它的每一台的压力还是保持不变,所以从结构强度上来讲更容易实现推力的增加,另外液体火箭更容易控制推力的变化,从而更容易实现速度的调整,而固体火箭一旦燃起“满腔怒火”就“覆水难收”,当然,未来也许可控,目前还只在空空导弹pL15实现了双脉冲,这可是除了中国还没有其它国家弄明白的高科技,但也只是在小弹种上。


结语:

固体火箭与液体火箭各有所长,自然要全面发展,而且固体火箭更倾向于东风之类的。


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