YF-100火箭發動機

從某種程度上説，探索太空的能力，取決於航天發動機的推力。中國長征系列運載火箭中發射近地軌道航天器的主力長征二號運載火箭成功發射中國的神舟號載人飛船，但其使用的液體火箭發動機是地面單台推力75噸左右的YF-20火箭發動機 ^[5]  ，推力已經不能滿足未來航天技術發展的需求 ^[6]  。

二十一世紀，國外新一代運載火箭開始投入使用。如美國洛克希德馬丁公司的宇宙神5型運載火箭，一子級採用俄羅斯和美國聯合研製的 RD-180火箭發動機（液氧煤油發動機），最大推力高達423噸 ^[7]  ，降低了1/4發射成本 ^[8]  。大推力火箭發動機的使用，極大的提高了運載火箭的性能並減低了使用成本。

這種形勢下，中國研製新一代液體火箭發動機顯得格外迫切。

YF-100是一種液氧煤油分級燃燒循環火箭發動機，它採用世界上先進的富氧預燃分級燃燒循環技術，採用自身啓動，混合比和推力可調節，單渦輪泵佈置 ^[2]  ，可以為氧化劑貯箱增壓提供熱氧氣，為伺服機構提供高壓煤油作為動力源 ^[9]  。有主渦輪泵兩台，其中氧泵為單級，煤油泵為兩級，均為預燃室富氧燃氣驅動。有預壓泵兩台，其中煤油預壓泵由主煤油泵一級高壓煤油分出一支驅動，驅動後介質進入低壓煤油主流，液氧預壓泵富氧燃氣驅動，驅動後介質亦進入低壓液氧主流 ^[2]  （這與蘇/俄RD-170高性能發動機相同）。

YF-100有雙擺（長征六號芯級，長征七號芯級），單擺（長征五號3.35米助推器模塊），不擺動（長征五號2.25米助推器模塊）三種技術狀態。 ^[12] 

1、沒有污染，液氧和煤油都是環保燃料，而且易於存貯和運輸； ^[6] 

2、經濟，推進劑比常規發動機的便宜60%； ^[6] 

3、可靠性高； ^[6] 

4、推力大，研製成功即成為中國推力最大的液體推進劑發動機； ^[11] 

5、採用了世界上最先進的高壓補燃循環系統； ^[6] 

6、性能高，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設計參數上，比中國現役主力發動機高出數倍。 ^[6] 

7、可重複使用，在台架試驗階段可以進行多次試車，而且試車後仍可用於發射，不必每次測試都報廢一台昂貴的發動機； ^[8] 

YF-100主要用於中國新一代運載火箭，包括了長征五號、長征六號和長征七號。

YF-100將被用於長征五號的3.35米直徑助推器模塊和2.25米直徑助推器模塊。 ^[13] 

長征五號的3.35米直徑助推器模塊中包含兩台YF-100發動機，其中一台可擺動；2.25米直徑助推器模塊包含一台YF-100發動機，不擺動。 ^[12] 

YF-100將被用於長征六號的芯級模塊。

長征六號的芯一級模塊由長征五號3.35米直徑助推器模塊改變而來，只包含單台YF-100發動機，發動機雙擺。 ^[14] 

YF-100將被用於長征七號的芯級和助推器模塊。

長征七號的芯級模塊也由長征五號3.35米直徑助推器模塊改變而來，包含兩台YF-100發動機，發動機雙擺。 ^[12]  助推器模塊和長征五號2.25米直徑助推器模塊相同，包含一台YF-100發動機。 ^[13] 

中國航天動力部門很早就對新一代運載火箭的發動機進行了預研，二十世紀80年代中國張貴田院士就提出發展高壓補燃液氧煤油發動機的設想，經過其努力863計劃將液氧煤油發動機列入規劃。1988年他率領隊伍開始研究性試驗，到1990年全面開展關鍵技術攻關，1990年從前蘇聯引進了2台RD-120高壓補燃液氧煤油發動機進行原理研究，此後1995年進行全系統發動機試車。以此為基礎中國開始開發國產YF-100高壓補燃液氧煤油發動機，1998年動力部門取得渦輪泵聯試的成功，為開展高壓補燃液氧煤油發動機鋪平了道路。 ^[3] 

2000年YF-100大推力液氧煤油發動機通過研製和技術保障條件國家立項。 ^[4]  液氧煤油發動機剛開始進行的幾次整機試車都失敗了，外界也出現了質疑聲。 ^[6] 

2001年10月轉入初樣研製階段。 ^[4] 

2003-2007年間YF-100的研製攻克了補燃循環自身啓動技術難關，實現了發動機單擺總體結構佈局的優化，主渦輪泵通過結構改進軸系運轉平穩性和動密封可靠性得到提高，先後實現全系統額定工況不下台連續三次1200s和單次600s長程、變工況、搖擺試車成功的重大突破發動機技術狀態基本趨於穩定。 ^[15] 

2005年12月轉入試樣階段。 ^[4] 

2012年5月28日，120噸級液氧煤油發動機項目通過國家國防科工局驗收。 ^[1] 

注：截至2008年5月，YF-100累計試車時間達到17700秒； ^[9] 

截至2010年6月，YF-100共試車107次，累計26000餘秒； ^[12] 

截至2011年9月，以3台發動機驗收成功為標誌，航天六院共研製120噸級基本型液氧煤油發動機數十台，累計試車超過32000秒； ^[35] 

截至2013年8月，YF-100試車已超過上百次，累計點火工作時間已超過40000秒。 ^[32] 

120噸級液氧煤油發動機的研製成功是中國航天動力發展過程中的里程碑。 ^[1]  2012年5月28日YF-100的成功驗收 ^[1]  ，填補了中國高壓補燃循環發動機的技術空白，縮短了中國液體火箭發動機技術水平與國外的差距，奠定了中國未來航天動力系統發展的技術基礎，標誌着中國成為繼俄羅斯之後第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環液體火箭發動機核心技術的國家。 ^[37] 

YF-100的研製成功為中國2014年實現長征五號火箭首飛以及進行後續載人航天和月球探測工程等打下堅實基礎。 ^[6]  新一代運載火箭發動機的研製成功，加快了中國航天新舊更迭的步伐，也加快了中國由航天大國邁向航天強國的步伐。 ^[6]  它標誌着中國新一代大中小型運載火箭一級發動機專項研製任務圓滿結束，開始轉入產品交付及可靠性增長階段工作。 ^[38]  隨着YF-100成功驗收，中國新一代運載火箭液氧煤油發動機將使無毒環保推進系統在不遠的將來正式進入中國航天發射領域。 ^[38] 

在新一代大推力液氧煤油發動機研製中，為了解決高低温、高壓、強氧化、高轉速、大功率等問題，中國航天推進技術研究院與相關單位一起研製開發了近50種新材料，包括高強度耐氧化的不鏽鋼、高温合金、納米塗層、鍍層、橡膠等。在新工藝方面，通過技術攻關突破了30多項關鍵工藝，並擁有自主知識產權。同時，這些新技術在民用領域也會有很大的應用前景。 ^[6] 

從技術上説，YF-100液氧煤油發動機並不突出。YF-100發動機地面推力約120噸地面比衝約300秒，真空推力約136噸比衝約335秒，噴口直徑約1.4米。 ^[3]  YF-100火箭發動機的推力在高壓補燃液氧煤油發動機中屬於偏下水平，比蘇聯時代開發的RD-171/180/191都要小得多，比參照的原型RD-120發動機倒是高出50%以上。雖然燃燒室壓力略低，但比衝上YF-100和先進液氧煤油發動機如RD-180/191處於伯仲之間，而且為了兼容3.35米和2.25米直徑箭體的原因，無法改動噴管設計。總體技術上説YF-100的技術起點和水平檔次較高，只是推力偏小。 ^[3]  而且為了兼容3.35米和2.25米直徑箭體的原因，無法改動噴管設計。自立項以來，YF-100早期雖然發生過試車事故，但進度還是很不錯的，2005年完成300秒長程搖擺整機試車，2006年先後完成400秒試車和首次600秒長程搖擺試車。迄今為止，YF-100的總試車時間已經超過了2萬秒。對比實際使用中僅工作160秒，YF-100液氧煤油發動機的可靠性已經得到了充分的檢驗。 ^[3] 

8台全新研製的120噸液氧煤油發動機 長征五號起飛推力達1060噸

大火箭離不開大推力。長征五號運載火箭立起來有20層樓高，起飛質量約878噸，要託舉這麼重的大傢伙，需要大推力的發動機。

目前，我國現役火箭發動機單台推力最大隻有70噸左右，要想發射超大型航天器就遠遠不夠。

經過15年不懈攻關，8台全新研製的120噸液氧煤油發動機被裝配在長征五號運載火箭的4個助推器上，4台全新研製的氫氧發動機在一級和二級火箭上各裝配了兩台。

長征五號全箭起飛時總推力達1060噸，主要來自8台液氧煤油發動機。120噸液氧煤油發動機的威力到底有多大？專家打了個形象的比喻，120噸液氧煤油發動機產生的最高壓強達500個大氣壓，相當於把上海黃浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。

中國航天科技集團公司六院副院長周利民表示，最初讓研製團隊備受打擊的是，發動機樣機研製出來後試車的結果，連着4次發動機試車，均遭失敗，兩次起動爆炸，兩次燃氣系統燒燬。經過近半年緊張艱苦的攻關，研製團隊終於摸清了發動機試車失敗的根源和發生爆炸的不同機理，通過仿真優化，選定最理想的啓動方案和程序，發動機終於試車成功。 ^[39]