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发信人: dxmxqe (婴儿), 信区: Aero
标  题: 谈先进的液氧(煤油)火箭发动机
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Mar 22 12:11:27 2004), 站内信件

张贵田

    航天技术是现代科学技术中发展最快的尖端技术之一，是一个国家科学技术水平和国
民经济实力的综合反映，是一个国家科学技术水平的重要标志，亦是综合国力的象征。航
天技术高度综合集中了许多基础科学和新技术，如数学、近代力学、自动控制、电子计算
机、真空与低温技术等，它的发展促进了一大批基础科学和现代技术的发展，如新材料、
空间物理、航天医学、生命科学等。航天技术的发展、宇宙环境的应用导致了一系列出乎
意料的技术革新。当今，一些发达国家正在以大空间概念设计国民经济未来发展的蓝图，
把航天技术产业作为未来发展的一个战略重点，认为它是发展各类高新技术产业的领头技
术，它能带动一大批高新技术产业其它基础产业的发展，推动和促进新工艺、新材料、新
能源等技术的进步，航天技术对国民经济的发展将起到“加速器”和“倍增器”的作用。
 

  　航天科技工业的发展对推动解决我国面临的人口与资源、环境与灾害、通信与交通、
教育与文化等重大社会问题起到了其它任何技术和产品不可替代的作用。同时，航天技术
对国家的国防建设具有极其重要的意义，这一点已得到共识。目前战略战术导弹、卫星导
航定位、军事测绘侦察、作战指挥和通信等方面广泛应用于国防建设，并取得了显著效果
。宇宙空间是现代军事竟争的制高点，航天技术与防御技术已很难分开，这在战略威慑和
现代化战争中表现得尤为显著。 

  　航天技术能够产生巨大社会效益和经济效益的主要途径是通过应用卫星来实现的，而
运载火箭扮演着极其重要的角色。在近40年的发展中，我国航天科技工业依靠自己的力量
，研制成功了长征系列运载火箭，达到了全型谱的运载能力，并已成功将我国自行研制的
通信、返回式遥感、气象等应用卫星送到静止、近地和太阳同步等不同的轨道，而且先后
成功地为西德、澳大利亚、瑞典、法国、美国等国家发射卫星或其它有效载荷。我国的长
征火箭成为世界发射市场的主要运载工具之一，昂首阔步地进行国际商业发射市场，使中
国航天在国际航天界占有一席之地，并享有较高声誉，显示了社会主义中国的综合实力(请
参见图1、表1a、表1b、表1c)。 

  　虽然我国航天技术取得了巨大的成就，引起了世人的瞩目，但是应该清醒地认识到我
们的不足。目前，我国现有的长征系列运载火箭是在战略武器的基础上演变延用而来的，
其推进剂(偏二甲肼／四氧化二氮)毒性大、污染严重、价格高、性能低，其不足是很明显
的。美国、法国、前苏联等航天大国对于推进剂的毒性和污染问题高度重视。美国从1970
年就禁止在本土上生产偏二甲肼，法国阿里安火箭所用的偏二甲肼一直从苏联购买，而且
不在本土上发射(在法属圭亚那库鲁航天发射中心发射)；原苏联解体之前曾下令禁止使用
偏二甲肼。随着全世界对环境保护的日益重视，很可能在不久的将来全世界禁止生产使用
偏二甲肼作为火箭推进剂。因为偏二甲肼毒性较大，损害人体的肝脏。尤其是四氧化二氮
／偏二甲肼的燃烧产物，对人体损害更大，并较为严重地污染环境。从事使用该种推进剂
发动机试验的工作人员中60%有不同程度的肝病，普遍转氨酶高。由于组织火箭发射时, 由
于N2O4泄漏已引起几次伤亡事故，后果比较严重。长征运载火箭是当今世界可靠性、技术
稳定性最好的运载火箭之一，但是近几年来，长征火箭发射时有失利，并造成了不同程度
的人员伤亡，其推进剂毒性大和污染严重问题已引起了我国各级领导的高度重视，也增加
了参试人员的恐惧感。虽然发射失利未引起十分严重的后果，但参试人员“死里逃生”、
“后怕”的感觉仍然十分强烈。这给组织发射带来了一定的困难。同时，由于推进剂价格
偏高增加发射成本，进而使得长征火箭在国际发射市场中价格竞争力不甚明显，也是一个
比较突出的问题。如何提高运载火箭可靠性，降低发射成本，增强竞争力，是加速我国运
载火箭产业化进程的关键所在。 

  　要想有先进的运载火箭，首先必须要有先进的动力系统——火箭发动机。火箭发动机
是运载火箭的心脏，它的先进性突出表现在低成本、无污染、高可靠、高性能、使用安全
、操作方便。液氧/煤油火箭发动机作为运载动力装置的优越性在于:一是煤油作为常温推
进剂，使用极为方便， 安全性好，而甲烷、丙烷、液氢为低温推进剂，不好贮存，运输、
加注和操作都不方便，泄漏后易起火爆炸，特别是液氢很容易泄漏。二是煤油价格便宜，
每千克煤油的价格只有液氢的1/100和偏二甲肼的1/30， 可以较大幅度地降低发动机的研
制成本和运载火箭的发射费用。发射一颗20T低轨道的有效载荷， 如用液氢/液氧和四氧化
二氮/偏二甲肼组成的二级半方案推进剂费需3000万元，而用全液氧/煤油方案只需推进剂
费100万元。 三是液氧/煤油组合密度比冲高，是理想的下面级(助推级和芯一级)发动机，
稍作改进之后亦可作为比较理想的上面级发动机。四是我国煤油资源丰富，贮量极大，可
满足长远的需要。我国克拉玛依油田开采的煤油是低凝点环烷基中质原油，完全符合火箭
推进剂用煤油标准， 现已查明贮量在5亿吨以上，按每年200万吨开采量计算，可连续开采
50年以上，同时我国黑虎山、辽河、胜利等油田符合要求的原油贮量也是丰富的。经各种
研究试验和两次液氧/煤油发动机热试车的成功，充分说明了国产煤油能完全满足使用要
求。五是使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲肼有毒且污染环境的严重不
足。六是液氧/煤油发动机可实现运载火箭模块化积木式设计，可用不同组合完成不同载荷
的发射任务，能形成我国新一代运载火箭系列。上述诸优点体现了先进动力系统的要求和
研制方向。 

  　经过近10年关于大型运载火箭和天地往返运输系统动力系统的技术论证、研究及关键
技术攻关，国家决定研制液氧/煤油高压补燃发动机，并已列入“863”计划。 这无疑是提
高我国航天技术水平的重大举措，更是加速我国运载火箭产业化进程的英明之举。 

  　近几年，我一直参加并负责大型运载火箭和天地往返运输系统动力系统的论证工作，
以及“863”液氧／煤油发动机的预先研究和关键技术攻关工作。从近几年的工作进展情况
来看，液氧／煤油高压补燃发动机在技术十分先进，代表当今液体火箭发动机领域的最高
水平，其先进性体现在以下几个方面: 

  　1、先进的闭式循环系统。 该系统能充分利用燃料的化学潜能。补燃发动机也称为分
级燃烧发动机，该系统先把推进剂的一组元在预燃室中进行富氧(或富燃)燃烧，生成低温
大流量的燃气驱动涡轮，然后将工作过的燃气引入燃烧室进行完全燃烧。它避免了开式循
环系统涡轮排气的能量损失(请见图2:开式循环系统; 图3:闭式循环系统)。闭式循环发动
机可较大幅度提高燃烧室压力，进而提高燃烧效率,仅采用闭式循环系统就能提高比冲6％
以上。对二级半火箭来说，当起飞质量相同时，有效载荷能提高30％以上；假若有效载荷
相同，运载火箭起飞重量可降低20％。使发射1kg有效载荷的全寿命周期费用降低约16％。
用这种发动机的试验机，于1995年12月～1996年1月进行两次全系统高压补燃发动机试车，
其真空推力为85T，真空比冲为3500m/s，混合比K在2.34--2.6之间。 

  　2、先进的燃烧室混合喷注器。在补燃循环系统中， 氧化剂全部在预燃烧室气化后，
再进入燃烧室进行燃烧，这样就实现了气液两组燃烧，气液燃烧大大改善了发动机的燃烧
稳定性。为了进一步提高燃烧稳定性，用不同长度的喷咀把喷注器分隔成数个区域，气液
喷咀为同轴内混合式，其长度为1/4波长，形成几百个小声腔，能够有效地衰减振荡；另外
在燃烧室上游设置了整流装置，把不规则的涡轮排气进行整流后引入燃烧室。高压补燃循
环系统不仅有利于解决技术关键不稳定燃烧问题，而且还较大幅度地提高了燃烧效率。我
们对喷注器进行了混合雾化试验，并对发动机进行了热试车，试验结果表明: 高压补燃循
环系统的燃烧效率高达0.98。 

    3、先进而巧妙的燃烧室冷却措施。 几十年来争论不休的用煤油作为冷却剂问题，经
过大量的传热试验及计算分析后表明:采取适当的措施是完全可以解决的。用克拉玛依煤油
作燃料进行了工作时间分别为10秒、50秒的两次试车后燃烧室完好无损，光洁如初，说明
用煤油作发动机冷却剂是完全可行的，效果是相当理想的。在燃烧室的冷却结构设计上采
取了一系列措施: 一是在喉部以前设置了三条冷却带，其流量为推进剂总流量的2～3％，
煤油进入燃烧室是贴壁向上旋转式； 二是燃烧室喷管从膨胀比为8的截面至圆柱段，用螺
旋式冷却槽，并且喉部附近的冷却槽加工成波浪形，以便提高其冷却效果，这样可使内壁
温度降低40℃左右；三是低温煤油从收敛段进入冷却槽，首先冷却热流最大的喉部区域，
这一举措可得到40℃温差的好处。除上述措施外，还在内壁上镀镍铬防热层可使气壁温降
低30～40℃，以及选取热传导性能好的内壁材料等。上述措施经过热试车，证明非常有效
。 

  　4、可靠的多样密封。发动机各部件要承受－200℃～3500℃高低温环境，压力为150～
500个大气压，在强烈的振动环境下，发动机的密封问题是一个致命问题。必须因地制宜地
设计相应的密封结构。过去我们采用的是法兰盘间加不同材料的垫片或“O”型圈结构，对
于中、小直径的管路接头大多用球头喇叭口结构。这种落后的密封结构远远不能满足高可
靠、高性能先进发动机的要求。为此，我们进行了多种密封结构的研究、试验。低温液氧
的密封用“К” 和“Э”型环，高温燃气密封采用了碟型垫，高压的液体和气体密封采用
球头加导向，并在球头上开槽，加不同材料的“O”型圈，还有适用于低温的碟型垫的密封
，其密封压力达到600个大气压也不泄漏。涡轮泵的密封更重要,为适应发动机多次工作，
防止磨擦生热减少磨损而采用了脱开式密封。涡轮不转动时，为静密封，当涡轮泵转速达
到预定值时，控制压力使密封处脱开，这种先进的密封形式大大地提高了可靠性及其寿命
。 

  　5、先进的预压涡轮泵。要使主涡轮泵正常工作，避免发生气蚀，必须保证泵的入口有
一定的压力。如果泵入口压力要求高，则火箭贮箱压力必须提高，这样就会增加运载火箭
的贮箱结构重量。为了降低火箭结构重量、提高运载能力，必须尽量降低泵入口压力。为
此在主泵前设置了一套预压涡轮泵。从主涡轮后抽取一股富氧燃气作为氧化剂的预压涡轮
泵工质驱动涡轮，然后排入氧化剂主流中，从主煤油泵后引出的一股高压煤油作为煤油预
压涡轮泵的工质吹动涡轮，然后排入预压泵后的主流中。这种预压涡轮泵系统设计思路新
颖、结构巧妙，尤其是富氧的燃气工作后又进入液氧的主流中，这种设计构思非常大胆，
也十分巧妙。目前，预压涡轮泵已经进行了大量液流冷试，并且成功地进行了发动机的热
试车，采用预压泵结构可提高主泵前压力6个大气压，而箱压仅为2个大气压。 

  　6、先进的弹性支承。 发动机是整个运载火箭的主要振源。工作时发动机各零部件都
承受着强烈的振动，有高频，也有低频，有些部位加速度高达几十个g甚至几百个g。因此
，各零部件的连接和固定形式是一个十分关键的问题。如一个质量较大的阀门与直径几毫
米或十几毫米的导管连接，要承受激烈的振动，在设计上必须要有科学的方法。用完全紧
固定支承的办法防振效果不好，而采用适当的弹性支承，不仅降低了振动量级，而且还有
利于解决零部件和发动机的共振问题。另外，为抗振防松，在拧紧各紧固件时，要涂胶。
尤其在天地往返运输系统及载人运载器上，由于运载器可靠性要求极高，抗振防松问题事
关重大，必须确保万无一失。为此，我们已进行了大量研究试验。 

　 为什么选用煤油作为运载火箭推进剂?在50年代，苏联、美国、英国就 开始研究以煤油
作推进剂。虽然美国也研制了一些以煤油作为燃料的开式循环火箭发动机，如宇宙神用的
MA-2发动机，土星Ⅰ、ⅠB用的H-1发动机，土星V用的F-1发动机等，但由于采取的措施欠
缺， 不好解决煤油作为冷却剂带来的一系列问题，加之解决不稳定燃烧问题困难和低混合
比燃气驱动涡轮积碳严重等原因，该类型火箭发动机没有得到充分的利用。随着航天事业
的发展和各航天大国对空间资源开发利用的愿望不断增强，各国都在积极研制低成本、无
毒、无污染、高可靠、性能好、安全可靠的运载火箭。苏联首先以高压补燃循环系统和先
进的冷却措施解决了煤油使用中的技术关键，并在70年代到80年代期间研制成功了高性能
的RD-170、RD-120及RD-8等型号高压补燃液氧/煤油发动机。 这些型号是代表世界最高水
平的液氧/煤油火箭发动机，已用于天顶号、能源号/暴风雪号等型号运载器。俄罗斯打算
在液氧/煤油高压补燃发动机的基础上研制一台液氧/煤油/液氢三组元发动机，与原先研制
成功的发动机一起组成新一代运载火箭系列。苏联解体后，美国、法国都在积极引进俄国
有关技术，美国已购买了俄罗斯的RD-120、RD-170、RD-171和NK-33发动机，并且已进行了
点火式验。 我国已从1989年起与独联体国家就此项技术进行学术技术交流，目前已在许多
重要领域取得实质性的进展。世界航天大国都在努力寻求突破液氧/煤油高压补燃发动机技
术的途径，并对此表示出了极其浓厚的兴趣，都试图尽快占领航天技术发展的制高点，最
大程度建立自己在宇宙空间的无形国界，以适应国家的战略需要和现实需求。 
　
    我国液氧/煤油高压补燃发动机研制工作已获批准并已列入国家“863”计划。 近几年
来重点进行了技术方案论证和关键技术研究， 并于1995年12月～1996年1月用试验型发动
机进行了两次热试车，进一步研究并初步掌握了该种发动机的起动、关机程序、预冷、吹
除及试车后的中和清洗技术。独联体国家把液氧/煤油发动机热试车后中和清洗技术视作“
Know How”(技术诀窍)，要买此项技术需上百万美元。我们经多次研究、论证、试验，摸
索出一套适合我们实际情况的中和清洗程序，经两次发动机热试车验证，证明我们的方法
是完全正确的。随着工作的深入，试验技术及试验设施也都有了不同程度的掌握。总之，
几年来的关键技术研究，为今后研制高压补燃液氧/煤油发动机打下了一个良好的基础。这
种发动机的研制成功，将使我国液体火箭发动机技术登上一个新台阶，将为我国大型运载
火箭和天地往返运输系统，载人航天提供先进的动力系统。在此基础上，进而可研制更先
进的液氧/煤油/液氢三组元火箭发动机，实现单级入轨，赶上世界先进水平。研制成功先
进的液氧/煤油火箭发动机，可提高我国航天技术水平，进一步扩大卫星发射市场，为加速
运载火箭产业化进程提供强有力的支撑。


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※ 修改:．dxmxqe 於 Mar 22 12:17:14 2004 修改本文．[FROM: 202.118.226.28]