YF-100系列发动机
MemoSakura
编辑于 2022年02月04日 12:51

YF-100由中国航天科技集团西安航天动力研究所(第六研究院第十一研究所)研制,YF-100是我国第一个120吨级液氧煤油发动机,也是我国首次采用富氧补燃循环方案的液体火箭发动机,目前在所有的飞行任务中没有出现任何设计问题,具有高可靠、高性能、推进剂无毒和廉价等特点。

YF-100于2000年立项,2012年5月28日验收,2015年9月20日首次应用于长征六号遥一,截至2013年8月,YF-100试车已超过上百次,累计点火工作时间已超过40000秒,YF-100的研制成功标志着中国成为继俄罗斯之后第二个完全掌握液氧煤油高压补燃循环液体火箭发动机技术的国家,是我国新一代运载火箭的主要动力。

YF-100被用于长征五号系列、长征六号系列、长征七号系列、长征八号系列起飞级。未来YF-100K会用于新一代载人火箭(俗称921火箭)的起飞级,YF-100M会用于二子级。由于YF-100具有大变推力能力,因此也将被运用于长征六号X、长征八号R等中国可回收火箭系列中。

YF-100参数

整机高度:2.98m

海平面推力:1188kN

真空推力:1340.5kN

海平面比冲:299.9s

真空比冲:335.0s

液氧流量:291.56kg/s

煤油流量:112.14kg/s

混合比:2.6

推力室室压:18Mpa

面积比:35

节流范围:65%~100%、49%~108%

YF-100的启动模式采用了箱压启动,具体是点火指令下达后,燃气发生器侧面的阀门打开,液氧和煤油在箱压挤压下进入预燃室,此时TEA-TEB(三乙基铝和三乙基硼)点火产生富氧燃气驱动涡轮泵,待泵压力大于箱压时关闭侧阀门,使用泵压送推进剂至推力完全建立。YF-100发动机也设置有预压泵。液氧主泵驱动氧化剂全部进入预燃室。煤油为二级泵,一级泵出口压力未知。随后煤油分为3路,大部分进入推力室冷却套,一部分驱动煤油预压泵,第三部分通过二级泵进入预燃室。二级泵出口压力50.66Mpa。YF-100的液氧预压泵采用了抽取涡轮后燃气驱动的方式,这个方式更类似于RD-170。

YF-100点火剂使用铝防爆薄膜包装,点火时防爆薄膜穿透,所以只能一次启动。

YF-100采用TEA-TEB点火剂,因此发动机刚点火时会出现绿光。

YF-100双向版本型号(G型)摇摆能力为±5°,单向版本摇摆(F型)摇摆能力为±8°。

H代表固定,F代表单摆, G代表双摆,这也适用于YF-115、YF-130等部分国产发动机。

长征六号上的YF-100采用了涡轮后燃气控制滚转模式。长征五号/长征五号乙的助推器为内侧单摆外侧固定模式。长征六号/长征六号甲为芯级发动机双摆模式,长征七号/长征七号甲为芯级双摆助推器单摆模式,长征八号为芯级双摆助推器单摆模式。

YF-100热环境适应性

长征五号飞行时,发动机所处的复杂热环境具体可分为:内部热环境和外部热环境。液氧煤油发动机室压高,燃烧室主流燃气温度可达3800K,推力室壁面热流密度大,发动机可靠冷却困难。YF-100点火后,8 台液氧煤油发动机和 2 台氢氧发动机同时工作,多股火焰相互作用加大了喷管出口处的热流密度。随着飞行高度增加喷管出口羽流加热效应显著,这种情况在双机并联时更严重。为此长征五号助推级YF-100加装了防热裙,这项措施在RD-180和F-1等液氧煤油发动机上均有使用。

YF-100采取了改善局部喷注结构、降低边区混合比、增加冷却环带流量、金属隔热镀层等措施,解决了推力室局部过热烧蚀问题。

同时YF-100的喷管扩张段采用了铣槽结构再生冷却,冷却性能好,在飞行热环境条件下,喷管出口处局部最高温度低于800°C。

研发历程

二十世纪80年代中国张贵田院士就提出发展高压补燃液氧煤油发动机的设想,经过其努力863计划将液氧煤油发动机列入规划。

1990年,中国航天界派出代表团前往苏联考察了RD-120液氧煤油火箭发动机和RD-0120液氢液氧火箭发动机。

1991年2月2日,航空航天部下发通知,开始研究补燃循环液氧煤油火箭发动机技术。

1995年12月15日,RD-120发动机在凤州山区里的二号试车台上,第一次试车,持续10秒。圆满成功。

1996年2月12日,RD-120在凤州二号台完成第二次试车,持续50秒,圆满成功。

1998年,YF-100涡轮泵联试成功。

2001年4月,YF-100进行了第一次试车,YF-100发生了爆炸。

2001年7月,YF-100进行了第二次试车,YF-100发生了爆炸。

2001年9月28日,YF-100取得了第一次成功点火,试车持续2.84秒。

2001年10月,YF-100转入初样研制阶段。

2002年5月16日,YF-100第五次试车(首次整机试车)取得圆满成功,标志着中国初步掌握补燃循环液氧煤油火箭发动机技术。

2005年1月,YF-100在抱龙峪专用试车台完成考台试车。

2005年10月30日,YF-100首次300秒长程摇摆整机试车。

2005年12月,YF-100转入试样阶段。

2006年7月3日,YF-100首次600秒摇摆试车。

2010年11月11日,YF-100首次双机联试。

2010年11月23日,YF-100双机并联摇摆试车(3.35米助推器工作状态)。

2012年1月15日,首次双机双摆试车(长征七号芯级工作状态)。

2012年3月,长征六号一子级全系统、飞行状态发动机工艺验收试车。

2012年5月28日,120吨级液氧煤油发动机项目通过国家国防科工局验收。

2012年11月27日,长征六号一子级首次动力系统试车。

2013年11月13日,长征七号助推器第一次动力系统试车。

2013年12月17日,长征七号助推器第二次动力系统试车。

2015年9月25日,长征六号运载火箭发射升空,YF-100发动机首次应用工作成功,拉开了作为中国新一代运载火箭主要动力的序幕。

前景

新一代载人火箭的一子级和助推器均采用YF-100K,因为YF-100K采用泵后摇摆即只有喷管摆动,而YF-100采用整体摆动,摇摆力矩减少50%,摇摆伺服机构小型化,因此YF-100K结构紧凑,在5m直径的箭体上可实现7机并联(YF-100最多只能4机并联),所以YF-100K在新一代载人火箭的一子级和助推器均采用7机并联的方式,此外YF-100K也具有65%~105%大范围快速变推力的能力,推重比比YF-100提升23%,达到74至79。

新一代载人火箭的二子级采用YF-100M,为YF-100K的改型,采用大尺寸钛合金喷管,面积比90,出口直径2160mm,具有混合比高精度调节能力。

低压启动是YF-100M一个研制难点,启动压力需求为0.37Mpa,因此采用小流量、高压力的方案。

YF-100K于2017年5月27日首次试车成功,同一台发动机于2018年1月31日完成500s试车,2018年2月26日有一台YF-100K以煤基煤油为燃料进行热试车,整个研发过程仅用了5亿人民币。

YF-100M于2018年6月28日首次试车成功,截止目前已知试车3次,总计350s

YF-100K参数

整机高度:3.728m

海平面推力:1250kN

真空推力:~1397kN

海平面比冲:301.5s

真空比冲:~337s

推重比:74~79

面积比:~35

混合比:2.6

节流范围:65%~105%

YF-100M参数

真空推力:1450kN

真空比冲:349.8s

流量:422.5kg/s

面积比:90

YF-100具有深度变推力能力,后续经过改造,变推力能力变得更大、具有多次点火能力,可用于长征六号X和长征八号R等中国可回收火箭。

2020年3月16日21时34分47秒361毫秒,长征七号甲遥一火箭托举着6.8吨的新技术试验卫星六号及次级载荷发射升空,然而起飞200秒后,火箭爆炸解体。

这场事故发生后,有说法称,长征七号甲遥一火箭发射失败是一子级的YF-100发动机在指令关机后自动重启,当然这种推测不太可能发生,但YF-100可靠性还是受一些人的担忧。

直到2021年长征七号甲成功复飞,根据官方公布的消息,给出这样的长征七号甲首飞失利原因:一二级分离前长征七号甲遥一的一台助推器氧箱出流口发生了空化现象,导致泵入口压力降低,不满足发动机工作的下限要求,发动机推力降低,助推器推力不均衡,姿态开始失控,一二级分离后,由于姿态问题,二级发动机延时几秒后点火,点火后,姿态仍没有纠正过来,飞行中止系统触发,火箭自毁。这表明此次事故是箭体问题,YF-100没有任何问题。

参考文献:

[1]陈建华,曹晨,徐浩海,李妙婷,王飞.长征五号运载火箭助推动力系统[J/OL].推进技术.

[2]LM-51D-YZ4D2.中国是如何“抄袭”RD-120的•前传-YF-100和RD-120的区别[专栏]

[3]百度百科.YF-100火箭发动机[文章].

https://baike.baidu.com/item/YF-100%E7%81%AB%E7%AE%AD%E5%8F%91%E5%8A%A8%E6%9C%BA/7973337?ivk_sa=1024630g

[4]刘鲁江,梁建国,吴佳林,等.运载火箭演进及智能技术展望[J].

[5]郑恩红.独家 | 长七A火箭归零、复飞记[N].中国航天报.

https://weibo.com/ttarticle/x/m/show/id/2309404613947205746830?_wb_client_=1

[6]归零工作室.浅析我国新一代载人运载火箭:登月配上合适的火箭,正如诗与远方一般。[航天前沿lEp.04][视频].网页链接​