超越美国解决回收难题：中国130吨级可回收液氧煤油发动机成功！

据西安航天动力研究所11月26日发布的报道，航天六院自主研制的130吨级重复使用液氧煤油补燃循环发动机首台两次起动试车取得圆满成功！

130吨级重复使用液氧煤油补燃循环发动机是为我国新一代重复使用运载火箭设计的大推力发动机，首台原型验证发动机试车成功，标志着我国在重复使用发动机高压补燃两次点火、低入口压力起动、连续变推力等核心关键技术上取得突破性进展。为我国空间站运营等航天活动提供有力支撑。

其实这台发动机给新版载人火箭用的

官方的报道中并没有指出这款发动机的型号，不过笔者经过多方查找后确认这台发动机的型号为YF-100N，此前还有中国最大推力的500吨级火箭发动机YF-130成功，与YF-130同期成功的还有甲烷发动机，也有膨胀循环的YF-79成功，看得大家眼花缭乱，这些型号的背后到底是些什么发动机？

我国的航空发动机是用WS-N命名的，这是涡扇的拼音，比如WS-10就是涡扇-10，另外还有WP涡喷、WJ涡桨、JS桨扇、WZ涡轴等。而火箭发动机则是以YF-N为命名方式，这个是液体发动机的液发拼音简写，但液体燃料种类比较多，因此型号比较繁杂，大致规律如下：

• YF-1、2、3，10以内的是偏二甲肼（燃料）和硝酸（氧化剂），早期毒发；
• YF-20~50，偏二甲肼（燃料）和四氧化二氮（氧化剂），目前还在用的毒发；
• YF-70~90，氢氧低温燃料发动机，真正的无毒无污染火箭发动机；
• YF-91，液氧甲烷火箭发动机（据称为YF-77氢氧机改），未来的可回收火箭发动机；
• YF-100~ ，液氧煤油发动机，目前推力最大的发动机；

估计各位大概是看明白了，我国的液发基本以数字区隔的，了解的朋友看着毫无障碍，不知道的朋友看得云里雾里，这个命名方式确实容易造成误会，而且就目前的区隔来看，有些型号还不够用了。当然这个火箭发动机还是比较专业的领域，各位爱好者看个热闹也就罢了。

YF-100N，新版载人火箭的发动机

11月26日成功试车的YF-100N发动机是给新版载人火箭使用的，此前一直在用CZ-2F火箭，这枚火箭的助推器是YF-20（1台），一级火箭发动机也是YF-20（4台），从上文我们可以了解到这种发动机用的偏二甲肼与四氧化二氮，也就是俗称的毒发。

因为偏二甲肼易燃、易爆、易挥发、剧毒、致癌，并且价格也相当高，每吨人民币8万，而它的氧化剂四氧化二氮也高达每吨1.7万，所以这种燃料不但危险还贵，因此用液氧煤油的新版载人火箭代替能大幅降低成本，有利于未来长期的空间站活动。

从CZ-5衍生出两款火箭，一款是CZ-5DY，这是新版登月火箭，以两次发射在月球轨道上交会对接的方式实现载人登月，与CZ-9的版本相比，中国航天比之前更为务实，因为在CZ-5这款成熟的火箭上发展成本更低也更保险。

另一款则是CZ-5ZRL，这是新版载人航天火箭，主要用途是运送航天员抵达天宫空间站，两者的发动机基本一致，但配置有些不一样：

• CZ-5DY：助推器：7台YF-100K、一级：7台YF-100K、2台YF-100M、3台YF-75E；
• CZ-ZRL：一级：7台YF-100K、1台YF-100M；

从这个配置中也可以看出，新版载人火箭就是登月火箭的“删减版”，发动机与一级都高度重复，这有利于降低成本，对长期维持航天活动非常有利。

而航天六院测试的这款火箭发动机则是YF-100N，其目的是替代两款火箭中的一级发动机YF-100K，是冲着可回收方向发展的，设计目标为重复使用10次，未来将再次降低载人航天的成本。

中国130吨级可回收液氧煤油发动机：超越美国解决回收难题!

自马斯克开启回收火箭发动机先河以来，各国从不屑一顾到趋之若鹜都不到10年时间，猎鹰火箭的发动机甚至有重复使用14次的，究竟是否划算，大家都能看得出来，但要实现可回收却不是那么简单，需要的是强大的技术储备！

肯定有人会质疑，马斯克的SpaceX都实现回收了，其他国家还搞不定，一国之力都比不过一个公司？其实SpaceX可以找到NASA承包商的各路顶尖人才，请问别国能找到这些人才？都得自己慢慢摸索，从零开始，所以SpaceX能成功不表示它很容易，而是这个确实存在可行性并且值得大力发展的方向。

• 可回收火箭到底要具备什么“气质”？

在大家的印象中，火箭发动机都是一次性使用的，发射后就丢！大家都很惋惜，为什么火箭发动机不回收了利用，而答案很简单，这些发动机真是一次性使用的，就算收回来也没法用，如果要将其改成重复使用火箭发动机，那么还要具备如下关键要求：

• 1、发动机必须具备多次点火能力；
• 2、发动机部件如阀门等必须做重复利用考虑，发动机的抗疲劳力必须更强；
• 3、结构布局方案必须考虑重复使用
• 4、备宽范围入口条件工作可靠、大范围推力调节与快速维护；

这里有几个是我们看得到的指标，一个是多次点火能力，另一个是大范围推力可调，可回收火箭必须要具备这样的指标，原因是这样的，从发射开始到第一级工作结束，此时会经历一次点火起飞到关机的过程。

然后一二级分离，一级发动机在姿控调整下脱离火箭发射轨迹（防止撞上二级），然后在栅格舵的气动面控制下保持下落轨迹（此时还在大气层内，栅格舵操作有效），之后则会重新点火启动火箭，飞会起飞场地或者规划中的降落地。

此时的火箭没有只有一个少量燃料的一级火箭空壳，不需要多台发动机启动，甚至只需要一台中心发动机，这也是新版载人火箭布置7台发动机的原因，因为只需要中心一台发动机工作即可控制降落与回收，并且推力还只需要正常一半的水平，到最后降落时还需要“收油门”、“熄火”等过程。

在这个过程中需要多次点火，需要大范围可调推力，如果火箭发动机推力可调范围不够大，不具备多次启动点火的能力，那么就是不合格的，此前的YF-100K火箭发动机，推力大范围可调，但无法满足可回收条件，因为不具备多次点火的能力，而YF-100N则是专门为多次回收设计的大范围推力可调、具备多次点火能力的发动机。

• 液氧煤油可回收：超越美国解决回收难题!

全球可回收火箭案例只有SpaceX完成，目前SpaceX在发展的巨型火箭星舰也是可以回收的，各个私人航天公司也在发展可回收火箭，包括我国多家航天私企，但他们有一个共同特点，新发展的火箭发动机都是烧液氧甲烷的！

最麻烦的问题：结焦

原因很简单，液氧甲烷不会积碳和结焦，这也是重复使用火箭发动机中最重要的一个要求，这个积碳解决起来其实不是特别难，但结焦就有有些麻烦了，因为结焦的位置是一条长长的再生冷却管路，清理起来不是一般的麻烦，为了说明这个问题，下文得简单介绍下火箭发动机的结构。

火箭发动机会将氧化剂和燃料注入燃烧室燃烧后排出就形成了动力，因此火箭燃烧室的温度是非常高的，为了提高火箭的推力，工程师们在不断提高燃烧室的室压，这会让燃烧室的温度更高，因此工程师们想出了各种冷却方法，比如自然散热冷却、管壁钻孔喷入流体形成气膜冷却，甚至调整燃料比例到富燃或者富氧达到降低温度的目的。

问题的根源：燃料与再生冷却

但无论哪种都比不上这种再生冷却更直接，这种方法是将燃料在进入燃烧室之前，用管道在燃烧室外壁上绕上多圈，将喷管的高温用燃料来散热，不仅能带走高温还能预热燃料，一举多得，无疑这非常有效，因此液体火箭发动机，无论是液氧煤油还是液氧液氢以及未来的液氧甲烷都会用这种再生冷却的方式。

这种再生冷却，在使用液氢、液态甲烷时候都没有问题，但在使用煤油时却出现了大问题，因为煤油在这种高压、高流量、高温的状态下，由于微量硫的存在，导致煤油在经过管道时很容易在管壁结焦，这是高温无氧状态下碳在管壁沉积的一种特殊现象。

图源：论文《高压推力 室冷却设计》，作者：孙宏明

煤油燃料在火箭燃料上优势非常明显，密度比较大，常温燃料，价格低廉，现场维保要求很低，尽管液氧煤油火箭比冲上略低，但架不住它真的很好用，因此液氧煤油火箭非常流行。比如俄罗斯的RD-180液氧煤油机还成了明星发动机，连美国人都购买了几百台。

液氧煤油发动机结焦不能回收？SpaceX搞定了

其实SpaceX的梅林发动机就是液氧煤油机，都成功回收了N次了，成功率相当高，怎么就没搞定？不过笔者要告诉大家的是梅林的性能真的非常优秀，推重比全球同类发动机中最高，做到如此极致，不得不佩服SpaceX的工程技术能力。

猎鹰9的一级火箭7台发动机

但梅林发动机的结焦问题却是通过另一个方式完成，上文说明了结焦是在高压、高流量、高温的状态下发生的，而梅林发动机选择了降低室压，当年美国的液氧煤油机因为结焦问题一直无法解决，只能将室压限制在10MPa以下。

梅林的发动机为开式循环

梅林发动机有一个预燃室，将煤油和液氧在这里预燃后推动高温涡轮，然后联动低温涡轮将液氧和煤油泵入燃烧室，梅林发动机使用的是开式循环，室压只有9.7MPa，只有分级燃烧循环发动机（室压高、比冲也高）的一半左右，这限制了它的比冲，虽然性能非常好，但仍然是美中不足。

中国分级燃烧循环发动机：搞定结焦大问题

降低室压解决结焦确实是一条思路，但室压低导致比冲也高不起来，然而航天六院的YF-100N发动机用的却是分级燃烧循环，这种循环方式比梅林发动机的燃气发生器（开式循环）室压更高，YF-100系列均为18MPa，尽管还不知道YF-100N的室压到底是多少，但大概率也是18MPa，差不多就是梅林发动机的2倍。

这表示我们已经在高室压状态下解决了煤油结焦的问题，或者至少已经对回收利用已经没有影响，否则我们也不会贸然使用分级燃烧循环的煤油机作为回收发动机，因此从这个角度来看，我们是完全领先的。

请注意这是YF-100K的参数

延伸阅读：中美俄火箭发动机技术

以中美俄来对比，美国的氢氧机技术全球最厉害，要说吊打全世界也不为过；俄罗斯的液氧煤油机最厉害，要不然美国也不会去买那么多RD-180了是吧，但事实上煤油机确实是俄罗斯比较好。

而中国的液氧煤油机已经在向俄罗斯靠拢，比如最近完成的YF-130，已经超过了RD-180，正向RD-170靠拢。氢氧机中的YF-90正在追赶美国水准，不过就算追上了也只有美国上世纪90年代的水平，好在是美国在近些年中氢氧机进展也不大，一直在吃老本，比如SLS火箭上用的就是航天飞机上拆下来的RS-25发动机。

所以说，中国航天将是未来集美俄大成的重要力量，虽然从目前来看，顶尖技术均比不上美俄，但中国技术却是比较全面的。