音頻科普：-長征六號的發動機有哪些新技術？

2015年9月20日，我國長征六號運載火箭在太原衛星發射中心升空，成功將20顆微小衛星送入預定軌道，創造了我國“一箭多星”的新紀錄。在這次發射中，長征六號運載火箭采用了我國新研製的液氧煤油火箭發動機，是我國液氧煤油火箭發動機的首次實例發射。
　　這樣振奮人心的消息傳來，相信有很多專業人士不免又要不平靜了。但是對於普通民眾來說，似乎有一些信息太專業了，比如“氧煤油火箭發動機”、“高壓補燃循環”等等。不過，您也別急，我們就不妨來聊聊長征六號火箭的發動機究竟都用了哪些新技術。
　　長征六號運載火箭，是由上海航天技術研究院研製的新一代無毒無汙染小型液體運載火箭。長征六號為三級火箭，這一火箭成本低、高可靠、適應性強、安全性好，有許多新技術是在中國國內首次應用，研製難度也很大。長征六號運載火箭於2009年獲得國家正式批複立項，並於2013年12月在太原衛星發射中心完成場箭合練。
　　長征六號運載火箭使用了兩款我國自主研製的液氧煤油火箭發動機，第一級使用了YF-100型液氧煤油火箭發動機，第二級使用了YF-115型液氧煤油火箭發動機。這兩個名字聽起來離我們很遙遠，我們不妨先從“什麽是液氧煤油發動機”開始說起。
　　液氧煤油發動機是以液態氧為氧化劑，煤油為燃料的火箭發動機。與以往的長征火箭發動機相比，采用液氧-煤油推進劑的長征六號運載火箭發動機，效能提高了15-20%，可以大幅減少燃料攜帶量，減少火箭重量和體積；煤油價格較低，發射成本也得到有效降低；煤油與液氧由於沒有毒，燃燒隻生成水和二氧化碳，所以也避免了產生劇毒汙染的情況。
　　在此之前，長征二、三、四係列運載火箭的主發動機，都是使用偏二甲肼為燃料，四氧化二氮為助燃劑。這兩種物質和它們的燃燒產物都有很強的毒性，儲存與加注時需要非常小心，落地的火箭殘骸也會汙染環境。從1970年起，美國禁止在本土生產偏二甲肼，歐洲“阿裏安”火箭使用的偏二甲肼也一直從其他國家購買，並且在遠離本土的法屬圭亞那庫魯航天中心發射。從世界範圍來看，四氧化二氮-偏二甲肼推進劑屬於逐漸被淘汰的技術，取而代之的是液氧-煤油和液氧-液氫推進劑。而此次長征六號運載火箭發動機使用的就是液氧-煤油推進劑。從此，我國運載火箭進入了“綠色環保”的新時代。
　　​聽到這裏，可能會有人產生疑惑，液氧-煤油推進劑中使用的煤油，是我們俗稱的“火水”嗎？想要解決這個問題，我們還得扒一扒煤油的曆史。
　　現在的人們接觸煤油並不多，然而，在電燈普及前，煤油是主要的照明能源。清光緒二十二年（1896年），我國開始從國外進口煤油，首次進口5000加侖。從此，煤油走進了中國老百姓的日常生活當中。彼時的煤油，全部依靠國外進口，因此大家稱之為“洋油”，廣東人成為“火水”。
　　那麽，煤油究竟是什麽呢？事實上，煤油是碳原子個數為11-17的烴類混合物，屬於輕質石油產品，是通過石油分餾或裂化而得到的。煤油無色透明，含有雜質時呈淡黃色，略具臭味，平均分子量在200~250之間，密度大約為每立方厘米0.8克，不溶於水，易溶於醇和其他有機溶劑，易揮發，易燃。
　　煤油除了被用作照明能源以外，還用於動力能源和製藥等化工領域。其中，大家最熟悉的就是航空煤油了。
　　現在大部分的商業航班都是使用航空煤油作為動力能源。盡管航空煤油和照明煤油含有的烴類物質是相似的，但他們的混合比例以及雜質含量有著明顯的差異。這主要是為了滿足航空煤油的一係列指標，包括發熱值、密度和低溫性能以及粘度等等。我國對航空煤油的標準規定，其淨熱值每公斤不小於10250大卡，密度不低於0.775克/立方厘米，冰點不得高於-55 —-60攝氏度。要達到這些指標，就需要對生產煤油的整個工藝過程進行嚴格的控製。
　　正如航空煤油需要對煤油的特定指標進行嚴格控製一樣，航天發動機使用的煤油也是有特定的指標要求的。然而，這並不是長征六號運載火箭使用的煤油和“火水”的唯一差別，因為長征六號運載火箭使用的煤油不是從石油提煉的，而是從煤提煉的，被稱之為“煤基煤油”。
　　長征六號運載火箭使用的煤基航天煤油，是由神華集團和中國航天科技集團共同研製的，是世界首次將煤基煤油應用到航天領域。此前，我國航天中也少量使用煤油作為飛行器調整姿態時的動力能源，但都需要采用特定油田的特定原油來加工，而且資源也比較稀少。
　　如果火箭發動機沒有可以使用的動力能源，就急需研發一種新型航天煤油。為此，在2013年開展了煤基航天煤油的研發，並於2015年4月12日，使用新型煤基航天煤油的火箭發動機整機熱試車圓滿成功，這標誌著我國煤基航天煤油走向實際應用。相比以前的石油基燃料，煤基航天煤油依托我國豐富的煤炭資源，造價更為低廉，對外依存度也更低。
　　這樣看來，長征六號運載火箭使用的煤油，和我們俗稱的“火水”，雖然同屬“煤油”這個大家庭，但因為航天煤油對指標的特殊要求，在製作工藝、各烴類混合比、雜質等方麵都和“火水”有明顯的差異。此外，長征六號運載火箭使用的航天煤油來源於煤，相比於傳統石油基航天煤油，更適應我國礦石能源構成，成為我國航天事業長足發展的重要基石。
　　關於燃料的問題相信大家已經有所了解了，那在節目一開始我們提到的“高壓補燃循環”又是什麽呢？
　　高壓補燃循環是發動機閉式循環中的一種，也叫分級燃燒循環。在高壓補燃循環中，一部分燃料在預燃室燃燒，產生高溫燃氣，推動發動機的渦輪和泵。隨後，預燃室的廢氣和推進劑一起注入燃燒室，從而更充分地釋放能量。高壓補燃循環的主要優勢是所有燃氣和熱量都通過燃燒室排放，基本沒有損失，而且，能承受非常高的燃燒室壓力，這樣能使更大膨脹比的噴嘴可以用在發動機上。
　　美國研製的液氧煤油火箭發動機則采用了開式循環，也叫燃氣發生器循環。上世紀60年代，美國人研製了推力高達680噸的F-1液氧煤油發動機，用於迄今最大的運載火箭“土星5號”，實現了人類首次登月。不過，這個發動機雖然強大、可靠，卻未能解決高壓補燃的技術難題，隻好使用效率不高的燃氣發生器循環技術。相比於高壓補燃循環，燃氣發生器循環雖然能增加發動機的比衝，但還有一個明顯的劣勢就在於效率的損失。
　　長征六號一飛衝天。它的第一級使用的是YF-100發動機。這款發動機的海平麵比衝為300秒。軍迷朋友對“比衝”這個詞應該很熟悉，但是對於不少人來說，“比衝”究竟說的是什麽，可能就有些模糊不清了。
　　事實上，比衝是對火箭引擎燃料利用效率的一種描述，火箭發動機單位重量的推進劑產生的衝量就是比衝。它的標準國際單位是“米/秒”。
　　比衝的本質就是燃料燃燒時的“噴流速度”。所以，很多資料會告訴你，比衝越大，發動機越厲害。這很好理解，無論是火箭發動機，還是飛機上的渦噴發動機，它們提供動力的原理就是燃料燃燒並向後噴射。根據動量守恒，噴射物的速度越大，其帶給飛行器的反推力就越大。
　　有了液氧-煤油這樣綠色時代下的燃料，再加上先進的發動機作為動力，2015年9月20日，我國自主研製的液氧煤油火箭發動機隨長征六號運載火箭成功完成首次實例發射。
　　此次發射從2000年開始立項；2001年10月，開始了初樣研製；2003~2007年，科研團隊攻克了主要技術難關，新型火箭發動機技術狀態基本趨於穩定。2005年，開始了漫長的試樣試驗階段。2012年5月，通過驗收。12年的積累和不斷創新告訴我們，液氧煤油火箭發動機將成為中國新一代運載火箭的主要動力。
　　好的，今天的非常科學到這裏就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號“feichangkexue”來關注我們，或者通過新浪官方微博“經濟之聲非常科學”與我們節目組進行互動。主持人亞楠代表編輯製作感謝大家的收聽，並誠邀您明天同一時間繼續與我們相約《非常科學》。



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