老版CZ-9真要放弃吗？登月巨型火箭CZ-9: 为何变成了一根粗棍子?

日前一个ID为@BH-skywalker的微博账户发布了一条博文，附上了一张长征9号的CG大图，实在是太漂亮了，发布日期是11月9日，但这大神只有367个粉丝，一直到11月15日才被大佬们发现转发而被推上热门话题：

CG的新版长征-9运载火箭：靠谱吗？

新版的长征-9火箭（下文以CZ-9代替）是回收版，CG的这幅图与珠海航展上展出的“一根棍子”版本大致是吻合的，并且CG图背景非常优美，而且还分好类了，CZ-5和CZ-5DY是背景是月球，意思是登月版，而CZ-9的新版和老版背景是火星，意思是这俩是登陆火星用的。

这个立意上问题不大，不过CZ-9的地月转移轨道为50吨，一发即可登月，而且CZ-9原本就是为了登月研制的，不过前段时间横空出世一个CZ-5DY版，抢了CZ-9的风头！可能有几个原因，一个是CZ-5是一款比较成功的火箭，从这个基础上改变成登月版更保险；另一个则是更务实，运力不够两次来凑，CZ-5DY版需要两次发射在月球轨道上组装后再登月。

话题扯远了，回到CZ-9，这枚火箭的模型在珠海航展上已经有展出，但是这位@BH-skywalker大神CG时省略掉了箭体中间的格栅舵，增加了尾部的尾翼，这个到底是正确还是错误的呢？我们先来看看珠海航展上的图图：

从这张图来看，两个特征是有出入的，就是上文说的格栅舵和尾翼，并且在官方出品的CZ-9的CG参数图中也是格栅舵和无尾翼特征：

那么问题来了，取消了格栅舵和增加了尾翼，到底有没有关系？SpaceX的猎鹰-9火箭也是光秃秃一根杆子没有尾翼，不过仔细看却能看到中部有2对格栅舵：

除了V1和1.0其他版本都有格栅舵

那么CZ-9是否抄袭了猎鹰-9的设计？其实还真不是，两者的回收环境是不一样的，猎鹰-9火箭是“岔开腿”回收，这尾部设置尾翼实在是碍手碍脚啊，所以在回收火箭上干脆就取消了，这也可以理解：

但在CZ-9上却不是抄袭SpaceX的方案，而是实际需要，尾翼是在大气层中稳定火箭姿态使用的，不过这个是可以用姿态控制来代替的，尾翼并不是一定需要的部件，并且尾翼的存在也会使回收存在障碍，目前还没有确定CZ-9的回收方案，但此前披露过我们的回收方案会用绳系回收，如下图这样：

这种一种绳系跟踪回收的方案，在火箭返回着陆场地时会跟踪火箭，并用多个更十字交叉的钢丝绳形成一个井字形系留住火箭顶部的突出位置，这种方式只要系留到火箭就不会存在问题，而且不怕横风和着陆稳定度，即使摆动也没有问题，比SpaceX的火箭回收冗余度要高出一个数量级，也就是说回收成功概率会很高：

各位应该是看明白了，这种状态下尾翼的存在会影响回收，因此在中国版回收方案中也是殊途同归直接将尾翼给取消了，这个功能将会由姿态控制来完成。

另一个格栅舵（栅格舵）的功能估计大家都心里有数了吧，这是一级火箭分离回收后在大气层中作为气动翼面控制火箭下落轨迹与飞行姿态。格栅舵由多片薄栅镶嵌在边框内构成，最广泛应用的是斜置壁与边框成45°角的蜂窝式栅格翼。

格栅舵可以用强度更高的小体积舵面取得相对气动面积更大的舵面，保证了在高速下控制的比强度、比刚度，一般在高音速中使用比较多，比如超音速空空导弹或者在火箭回收时的气动翼面。

因此新的回收版CZ-9上还存在尾翼却没有格栅舵，那CG图就错的比较夸张了，因此这位ID为@BH-skywalker的微博大神图做得确实很漂亮，但对回收火箭的理解还不够深，凭自己的想法直接就制作出来了，还需要再深入了解一下。

老版CZ-9真要放弃：YF-130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。这个说法也确实在航展中CZ-9的模型中得到了确认，SpaceNews的报道中表示，中国运载火箭技术研究院总设计部主任刘兵后来在11月7日接受中央电视台采访时证实了这一新方向。

早期版本的CZ-9和CZ-5

老版CZ-9真要放弃？

尽管刘兵表示，目前并没有就CZ-9火箭的最终命运作出决定，未来还存在非常大的不确定性，不过在更早以前的龙乐豪院士刚开的方案中，可回收已经成为未来中国航天的主流，CZ-9或真在全面转向可回收。

对火箭比较了解的朋友都知道，回收火箭与一次性火箭最大区别是冗余度，结构设计考虑二次使用，另外最关键的就是发动机，要从目前的液氧煤油全面转向甲烷系列，当然氢燃料也是可以的，因为在考虑回收发动机时除了结构强度等考虑回收外，燃料燃烧后的结焦与积碳问题非常关键。

为什么要用甲烷？为什么不用氢燃料？

用甲烷的原因很简单，甲烷不积碳！因为液氧煤油机有一个燃气发生器的涡轮泵，这个泵有两个涡轮室或者三个涡轮室，一个是高温燃气涡轮，另一个是燃料泵涡轮，还有一个是液氧涡轮泵，它们的工作流程是这样的：

启动时先将煤油和液氧送入高温涡轮室燃烧，这些燃气推动涡轮机工作后带动液氧和煤油涡轮泵工作泵入燃烧室点燃，高温燃气排出尾喷口，火箭发动机启动。

这个“高温”涡轮室其实不太耐高温，因为高温涡轮制造实在太困难，科学家们想出了一个绝佳的办法，富燃燃烧或者富氧燃烧降低燃烧室的温度，由于涡轮泵的流量极高，因此这个高温涡轮室“工作强度”很大，需要大流量的燃料和氧化剂！

而且在闭式循环（也称分级燃烧循环或者高压补燃循环）中这些未燃尽的“废气”还要送入燃烧室，导致涡轮室压很高，这个高压、高流量，再加含碳量比较高的煤油，几乎符合了和结焦与积碳的所有条件，因此涡轮泵在液氧煤油的条件下工作条件是比较恶劣的，一次性问题都比较难解决，别说多次使用了，这个问题让人头大！

甲烷的含碳量没有煤油那么高，并且还是气态燃料，所以将燃料改成液氧甲烷就没啥问题了，这样回收火箭的门槛瞬间就降低了一个数量级！那么问题来了，为什么不用一点都不会“积碳”的氢燃料？氢氧烧了之后就是水，不是很完美么？

不用液氢的原因也是挺直接的，液氢密度太低了，只有煤油的10%，液态甲烷还有50%呢，回收火箭的燃料箱体积太大也是一个让人头疼的问题，回收难度会直线上升，所以一般情况下回收火箭的燃料基本都是采用液氧甲烷。

YF-130怎么办？这个可是国内最大的煤油机！

11月5日航天六院11发布消息称，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！

这台发动机原来是为CZ-9巨型火箭设计的，也就是带助推器的“老版本”，助推器+芯级火箭总共会用12台YF-130发动机，然而现在CZ-9也改成了可回收，这台发动机刚成功过就无用武之地了？

SpaceX的液氧煤油机回收：能给我们参考吗？

各位应该很清楚SpaceX的猎鹰-9的火箭发动机Merlin1，这台就是著名的开式循环（燃气发生器循环）的液氧煤油机，而且还是回收版，SpaceX中回收最多的也是这台发动机，所以我们的YF-130也能参考SpaceX的方式改成回收版？

答案是可能很难，因为Merlin1发动机是开式循环，高压燃气涡轮（预燃室）不完全燃烧后的“废气”是直接排出外界的，并没有像YF-130送入燃烧室再烧一遍，因此它的海平面比冲只有282秒，而YF-130的海平面比冲达到了308秒。

右边喷出的就是预燃室的“废气”

YF-130的比冲更高，燃料利用率也更高，Merlin1发动机虽然比冲低了，但高温涡轮燃烧室室压也低了，只有9.7MPa（YF-130高达22MPa），好处是低室压的条件下结焦和积碳情况大大好转，为马斯克回收创造了条件。

不过马斯克在星舰（完全回收型超重型火箭）上用的发动机Raptor（猛禽）发动机就是液氧甲烷，而且是难度极高的全流量分级燃烧循环，室压高达30Mpa，比冲达到了327秒，估计是地球上目前最优秀的液氧甲烷发动机了。

猛禽发动机的结构示意图

从SpaceX的经验中我们可以发现，YF-130可能无法向可回收版本改进！不过并不是说可回收时代就没有不可回收的火箭了，完全不是，只要有好的发动机，比冲和成本可以做到一定阈值下，那么它依然能成为最优秀的发动机，比如RD-180！

因为回收带来的好处是重复利用，但坏处则是载荷减小了，虽然可以用可回收的火箭以不可回收的发射方式去发射更大的载荷，但仍然无法和一次性火箭比拼运载能力，优秀的不可回收火箭发动机未来还有一段时间的过渡期，看得更远一点，可回收和不可回收都将被空天飞机取代，到那时各位才会发现，火箭不过是一个古老时代才有的一种特殊交通工具！