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YF-77火箭發動機

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YF-77火箭發動機是中國航天推進技術研究院(中國航天科技集團公司第六研究院)為新一代大運載火箭長征五號芯一級研製的燃氣發生器循環大推力氫氧發動機。採用雙渦輪分別驅動液氫泵和液氧泵工作方式,具有混合比和推力調節功能,以提高火箭運載能力。發動機於2001年立項研製,歷經十年艱苦攻關,發動機關鍵技術全部突破。YF-77火箭發動機將與YF-100液氧煤油火箭發動機一同成為我國新一代運載火箭的主要動力,並有可能被用於中國未來的重型運載火箭上面級
中文名
YF-77火箭發動機
屬    性
燃氣發生器循環氫氧發動機
研製單位
中國航天推進技術研究院
立項時間
2001年12月
最大推力
510KN(地面)/700KN(真空)
比衝(m/s)
3040(地面)/4178(真空)

YF-77火箭發動機研製原因

為了追趕世界先進水平,中國開始大推力氫氧發動機的研製工作。
隨着空間技術和空間應用的發展,中國着手論證新一代運載火箭方案,逐步確立了具有“一個系列,兩種發動機,三個模塊”特點的新一代運載火箭方案,大推力氫氧發動機YF-77便是兩種發動機中的一種。
為了順中國應空間技術和空間應用的發展,為長征五號芯一級研製的YF-77火箭發動機於2001年開始立項研製。

YF-77火箭發動機結構性能

YF-77火箭發動機結構

YF-77採用燃氣發生器循環,雙渦輪分別驅動液氫泵和液氧泵工作方式。(詳情請參閲燃氣發生器循環條目)

YF-77火箭發動機性能

項目
數值
地面推力(KN)
509.6 [1] 
地面比衝(m/s)
3040 [1] 
真空推力(KN)
699.5 [1]  或673 [2] 
真空比衝
4178m/s [1]  或438s [2] 
液氫流量(kg/s)
25.8 [1] 
液氧流量(kg/s)
141.8 [1] 
5.5 [1]  或5.45 [2]  (可調節)
推力室出口直徑(m)
1.446 [1] 
YF-77具有混合比和推力調節功能,以提高火箭運載能力。

YF-77火箭發動機技術特點

YF-77作為氫氧發動機,和其他常規發動機相比有以下特點:
1、高能,單位質量的液氧液氫反應放出的能量高於一般火箭推進劑
2、零污染,氫氧燃燒產生的唯一物質是水,和推進劑一樣都不是有毒有害物質;
3、推進劑超低温,液的沸點為-252℃,這樣的低温給發動機工作帶來挑戰;
YF-77還有其它的特點:
4、大推力,是中國推力最大的氫氧火箭發動機

YF-77火箭發動機產品應用

長征五號芯級模塊 長征五號芯級模塊
YF-77將被用於長征五號火箭5米直徑芯一級模塊。芯一級模塊包含兩台YF-77發動機,發動機雙擺。
帶有芯一級模塊的CZ-5B 帶有芯一級模塊的CZ-5B
伴隨芯一級模塊,YF-100將會被用於長征五號系列的所有火箭(構型A到F)。(詳情請參閲長征五號詞條)

YF-77火箭發動機研發歷程

YF-77火箭發動機研製歷史

作為新一代運載火箭芯級的液氫液氧發動機可算得上白手起家了。中國研究氫氧發動機開展得很早,1970年就開始第一台氫氧發動機YF-70的研製,但是由於基礎工業落後和低温氫氧發動機的高難度,發展道路艱辛無比。真空推力約8噸的YF-75氫氧發動機是長征三號甲、乙、丙迄今為止的唯一可選的氫氧發動機。1994年2月3日日本H-II火箭首發射成功,標誌着LE-7大推力氫氧發動機開始投入使用。為了追趕世界先進水平,上世紀90年代中國開始大推力氫氧發動機的研製工作,在縮比試驗階段也試圖使用LE-7發動機一樣的高壓補燃循環(即分級燃燒循環)方式,當時規劃的分級燃燒循環大推力氫氧發動機代號YF-78。此後不清楚是技術難度太大,還是歐空局火神和美國RS-68發動機採用燃氣發生器循環的影響,中國大推力氫氧發動機最終採用了燃氣發生器循環設計,地面推力50多噸,代號YF-77,於2001年正式立項。
2001年12月大推力氫氧發動機研製立項獲得批覆,發動機關鍵技術攻關全面展開。
但是2007年卻遭遇了國內外罕見的重大技術障礙,先後四次試車結果不理想,直接影響到整個研製進展。研製人員在發動機推力室從強度分析、振動分析,以及產品結構設計等方面上進行了改進,效果不理想後又改用“一大四小”的改進方案:使用隔板噴嘴,改進推力室結構,提高面板連接強度。終於在2009年12月,發動機轉入試樣研製階段,這標誌着中國氫氧發動機的設計、生產、試驗技術步入了新台階。

YF-77火箭發動機試車記錄

時間
研製階段
試車時長(s)
備註
2004年6月18日


首次全系統試車
2005年1月5日
初樣
50
首次滿工況整機熱試車
2006年1月15日
初樣
200

2006年8月3日

500

2007年11月8日

500

2008年5月20日

500

2008年12月4日

500

2009年6月30日

500

2009年7月21日

500
極限工況
2009年10月26日


大噴管搖擺狀態,首次全特性、全角度搖擺熱試車;累計8676秒
2009年11月

500

2009年12月
試樣
500
2009年第9次長程試驗,全系統大噴管長程試驗
2012年5月16日
試樣
520
此次試車為確定發動機首飛技術狀態奠定了基礎
2012年8月17日

500
標誌着長征五號火箭首飛發動技術狀態已經確定
2019年8月12日

200
更換了新氧泵的YF-77試車
2019年8月14日

500
更換了新氧泵的YF-77試車,原本出現的裂紋已消失,數據正常,為長征五號的復飛奠定基礎
歷經十年艱苦攻關,至2012年8月17日,YF-77發動機關鍵技術全部突破,累計試車22000秒。
2008年12月4日YF-77試車 2008年12月4日YF-77試車
2012年8月17日YF-77試車 2012年8月17日YF-77試車

YF-77火箭發動機研製意義

研製YF-77不但實現了我國氫氧發動機推力由8噸到70噸(真空)的跨越,而且有力推動了材料工藝、低温工程、氫能利用等相關領域的科技創新和技術進步。

YF-77火箭發動機總結

YF-77發動機在技術距離世界先進水平較遠。
從推力上説,YF-77可以説是世界新一代運載火箭氫氧發動機中推力最小的型號,不僅無法與德爾塔 IV火箭RS-68發動機的 344噸真空推力相比,也遠低於阿里安5上火神2發動機的137噸真空推力和日本H-IIA/B火箭上LE-7A的112噸真空推力。
在氫氧發動機的比衝上,YF-77發動機偏低。美國的RS-68發動機針對大氣層內飛行環境做了優化,地面比衝高達359秒接近了航天飛機主發動機(SSME)的水平。日本的LE-7A發動機採用分級燃燒循環,在比衝上天然的對燃氣發生器循環有優勢,真空比衝442秒。
參考資料
  • 1.    陳閩慷,茹家欣.神劍凌霄--長征系列火箭的發展歷程:上海科技教育出版社,2007年10月
  • 2.    龍樂豪.世界航天運載器大全.北京:宇航出版社,2007