刚成功500吨的发动机怎么办?

美媒SpaceNews于11月9日报道，中国运载火箭研究所的设计师表示已经放弃了一次性超重型火箭CZ-9的计划，转而采用可重复使用的第一级设计。

当然各位不要误会，超重型火箭CZ-9并没有被放弃，只是会转而开发可回收版的CZ-9，这让大家舒了口气，那么原CZ-9设计的YF-130会失去装机对象吗？

YF-130：全球最大的补燃循环发动机推力室

航天六院11月5日发布的消息，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发动机推力室，标志着该型发动机研制取得重大突破！

YF-130液氧煤油发动机是传说中的CZ-9的一级火箭助推器的发动机，它的成功意义相当巨大，因为CZ-9原计划是中国登月的超重型火箭，一级火箭将使用12台YF-130：

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）；

到目前为止，YF-130试车已经成功，YF-90方案论证已经通过但还没有进展，YF-79则在9月初已经成功试车，原计划CZ-9是在2026年首飞，还有4年时间，就目前的进展来看，这个时间节点没有问题。

CZ-9是中国航天科技集团计划中的一款重型运载火箭，其近地轨道运载能力为50~200吨，奔月转移轨道运载能力为50吨，奔火转移轨道运载能力为12吨至44吨，这款火箭的芯级直径为10米左右，高度达到了110米，与阿波罗登月的土星五号差不多。

YF-130：全球最大的补燃循环发动机推力室

由于下文要介绍回收火箭发动机的要求，必须先铺垫下火箭发动机的循环类型。这个循环类型与推力相关，循环就是火箭发动机是将燃料和氧化剂送入燃烧室高温燃烧后排出喷管形成推力的关键过程。

YF-130的循环方式就是燃气发生器循环，这个设计其实非常巧妙，先将燃料和氧化剂送到一个燃气涡轮中预燃，动力再带动涡轮泵输入燃料和氧化剂，这种方式以及延伸出来的还有好几种：

1、燃气发生器开式循环

燃气涡轮燃烧后的废气直接排出发动机，这种发动机很好识别，旁边有一根大管子排出废气，还有点推力，有的火箭还将其作为姿态控制的发动机，但由于这个燃气涡轮不太能耐高温，不是富氧燃烧就是富燃燃烧，排出的废气中有大量氧气或者未燃尽的燃料，就这样放掉是不是太浪费了？

燃气发生器循环：开式循环

2、分级燃烧循环：富燃或者富氧

分级燃烧循环就是将预燃室的“废气”送到燃烧室再烧一次，分两次燃烧所以才叫分级燃烧循环，这个循环也被称为是高压补燃循环，YF-130就是高压补燃循环这类，不过这类发动机种类也是挺多的：

分级燃烧循环富燃、分级燃烧循环富氧，还有单泵和双泵，结构上也有点复杂，各位可以对照着图片仔细研究下。

燃气涡轮泵

分级燃烧循环将“未燃尽”的富燃和富氧“废气”利用起来了，增加了燃料利用率，提高了发动机比冲，这个性能会更好一些，但对预燃室的压力却提高了，因为这些“废气”要再利用，必须要有更高的压力才能注入燃烧室，所以叫做高压补燃循环也是挺有道理的。

YF-130的结构图

3、全流量分级燃烧循环

分级燃烧循环中的燃料泵和氧化剂泵，原本是一部分送入预燃室，一部分送入燃烧室，在全流量分级燃烧中，所有的流量都会经过预燃室，涡轮的工作温度比分级燃烧循环更低，发动机的寿命更长，效率也更高。而且燃烧室压可以更大，推力和比冲都能增加。

甲烷液氧的全流量分级燃烧循环

只是这种火箭发动机的实现难度还是有点高的，目前也只有SpaceX的Raptor发动机使用这种模式，最大的差异就是取消了直通燃烧室的主氧化剂管道，反而所有燃料和氧化剂都要通过两个预燃室，从结构上来看还是很容易区分的。

Raptor发动机的原理图

回收火箭的燃料：到底是煤油还是甲烷？

SpaceNews报道称，珠海航展上已经展出了一种新型长征九号火箭，该火箭采用网格鳍片和无侧助推器，结合2021年时珠海航展上的甲烷燃料的概念发动机，该报道的作者表示，未来的可回收CZ-9号火箭或将采用甲烷发动机，以方便整体回收。

回收发动机都用的是甲烷燃料？

其实答案还真不是，目前成功回收的有两种火箭，一种是SpaceX的猎鹰9号，回收的一级火箭燃料是液氧煤油，一种是重型猎鹰，回收的一级火箭燃料是液态甲烷和液氧，你没看错啊，全球也只有SpaceX一家成功回收了。

不过加入火箭回收行列的新火箭发动机，还真基本都是甲烷燃料的，比如SpaceX的星舰就是全回收的最大一种，全重高达5000吨；其他比如蓝色起源的（BE-4）和中国i-Space的双曲线火箭以及11月4日和YF-130同日测试成功的80吨甲烷液氢发动机，还有俄罗斯的阿穆尔火箭的燃料都是液氧与甲烷。

蓝色起源：BE-4

之所以都选择甲烷是因为煤油更容易结焦和积碳！相对于汽油和柴油，航空煤油的积碳问题其实已经很小了，这也是航空喷气式发动机选择煤油的原因之一，要不然这喷气式发动机燃烧室清理积碳也是个大问题。

但火箭燃烧站和航空发动机的燃烧室完全不一样，航空发动机的燃烧室压力只有2MPa，火箭发动机，比如YF-130的室压为22兆帕，足足高出11倍，煤油的含硫量和含碳量比较高，在高燃烧压力高燃烧温度的情况下容易结焦和积碳。

积碳和结焦最严重的位置就是上文介绍的发动机循环中的燃气涡轮，这个预燃室是整台火箭发动机的核心，为了低温运行降低对材料的需求，会采用富燃或者富氧燃烧，低温、高压，流量相当大，而在全流量分级燃烧循环中，所有流量都过燃气涡轮、高流量更容易造成结焦和积碳，问题严重甚至会严重影响涡轮工作，估计那后果是相当可怕的。

“我在网上看了一个视频，SpaceX公司把子级回收之后，到了岸边，要放到一个很多轮子的车上，那个车巨大，真是像怪兽一样的东西，特别大。你说这个车的成本怎么算？要造这个车也很困难。”

另外，唐庆博在上述科普活动中同时也表示，中国目前在跟踪研究回收火箭技术。

实际上，随着火箭回收技术的关注度越来越高，中国在火箭回收技术方面的研究进展也陆续通过航天界专家科普的形式对外披露。

譬如，中国运载火箭技术研究院原党委书记兼副院长、中国高科技产业化研究会党委书记兼常务副理事长梁小虹今年1月底在“造就”平台上演讲时透露，“我们正在开展重复使用运载火箭的技术研究，包括伞降回收和垂直起降技术，完成部分试验验证，一些关键技术取得突破。”

另外的案例比如，据航天科技集团微信报道，中国运载火箭技术研究院系列型号总师龙乐豪院士今年5月31日在清华大学的讲座中“展示了我国发展可重复使用运载火箭的三步走设想。当前要做的，则是通过伞降实现采用常规推进剂的火箭子级落点精确控制；与此同时，完善、优化新一代运载火箭。他介绍了长征八号和长征八号A的构想：长征八号运载火箭计划于2021年首飞，其芯一级和助推器将进行整体垂直回收。长征八号A运载火箭采用新概念设计研制，将长征八号运载火箭的两个2.25米直径助推器换成3.35米直径助推器，再搭配一个先进低温上面级。长征八号A运载火箭的高轨运载能力与长征七号A相同，但少了一级、两个箭体模块、五台发动机，既省钱又可靠”。

垂直动力回收的路子已经被鹰酱开辟出来了，国内伞降派在派系斗争中可能面临失势境地，试图找回场子而已。

“目前我们可以看到这种方式一个很大的缺点就是，火箭子级回收的时候，它的运载能力损失比较大。正是基于这种原因，实际上各国科学家也在想一些别的回收方式。比如说，用一个降落伞，伞降回收，比如说在伞底部加一些东西，加一个翼伞，为了能够进行控制，让它回收下来。总的来说各种方式都有优点，也有缺点。”

然而太空叉家的火箭再怎么浪费，两级煤油火箭能发射 7 吨 GTO ，发射 5.3 吨的 GTO 或者 3.X 吨 6 万公里超 GTO 时一级可以回收；国内，长征 7 ，两级半，理论高轨运力 1.x 吨。

伞降，伞要不要重量？气垫和末段接地缓冲火工品要不要重量？

应对开伞时瞬间张拉冲击力，而且这个冲击力在发射过程中不会遇到，这个额外补强不增加重量？

火箭再入时是纯硬扛还是先做动力减速？纯硬抗气动加热需不需要补强或增设隔热盾？动力减速需不需要二次点火和预留燃料？又有伞又要动力减速的话两套机构不增加系统复杂度？以上这些会不会增重？

再则，太空叉家的火箭必要时可以拆掉腿和苍蝇拍一次性使用，所有为回收预留的燃料全用于发射，回收“浪费”多少运力这里就凭空增长多少运力；伞降的火箭，伞能拿掉、气囊能拿掉，补强补上去的结构重量能拿掉换回运力？

再则，火箭既然能回收了，浪费运力也就是费个油钱和维修钱，目前从太空叉的表现以及进一步的野望来看维修钱比新火箭便宜挺多，油钱更连零头都算不上；额外的好处是火箭型号简统化，同一型号火箭批量生产降低成本，同一型号火箭密集发射成熟度快速提高……