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環(huán)球網(wǎng)報道，近日我國新一代火箭液氧甲烷發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)首次點(diǎn)火試車獲得成功，它是目前世界上最先進(jìn)的同類發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)代號可能為YF-75，推力60噸，有望用于我國未來的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，即空天飛機(jī)。

資料圖：為長征5號火箭開發(fā)的YF-77火箭發(fā)動機(jī)試車，新型甲烷液氧發(fā)動機(jī)基于YF-77研制

大推力液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域中國處于世界領(lǐng)先地位

報道稱，中國航天科技集團(tuán)公司六院101所依托數(shù)十年的氫氧發(fā)動機(jī)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)，通過各類擠壓試驗(yàn)、聯(lián)動試驗(yàn)、點(diǎn)火試驗(yàn)等一系列針對液氧甲烷發(fā)動機(jī)的研究試驗(yàn)工作，掌握了液氧甲烷發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，突破了甲烷操作、預(yù)冷、安全排放、發(fā)動機(jī)冷甲烷處理等技術(shù)難點(diǎn)，采取嚴(yán)格技術(shù)措施控制風(fēng)險，順利完成了此次全系統(tǒng)試車。

據(jù)“深空網(wǎng)”消息，中國此次試驗(yàn)的是以我國新一代液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)YF-77為基礎(chǔ)研制的60噸級液氫甲烷火箭發(fā)動機(jī)。另據(jù)消息，我國同時也在以YF-100氫氧火箭發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)研制液氫甲烷火箭發(fā)動機(jī)。這兩種發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)原理存在區(qū)別，分別適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

美國CECE發(fā)動機(jī)，同樣采用甲烷動力，其采用非常先進(jìn)的膨脹循環(huán)技術(shù)。但與中國新型發(fā)動機(jī)相比，其推力很小，計劃用于深空探測器動力

據(jù)資料，日本曾在LE-7液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)上進(jìn)行過改用甲烷的試驗(yàn)，其推力應(yīng)該大于中國的60噸級發(fā)動機(jī)，但未投入實(shí)用，也沒有繼續(xù)發(fā)展。俄羅斯目前正在研制有2400kN的甲烷火箭發(fā)動機(jī)推力在200噸以上，并且正在和法國斯奈克瑪公司展開合作研制“伏爾加”（Volga）發(fā)動機(jī)，計劃用于歐空局未來運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項(xiàng)目（FLPP），該項(xiàng)目還計劃在上面級上采用甲烷發(fā)動機(jī)。2009年7月，歐空局開始試驗(yàn)“伏爾加”發(fā)動機(jī)演示器。但這些發(fā)動機(jī)均尚處于試制階段。

2010年5月5日,美國航空噴氣公司(Aerojet)在美軍白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場成功完成了推力為2.5 噸的液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)的高空試車。該發(fā)動機(jī)是航空噴氣公司研制的第1代液氧甲烷發(fā)動機(jī)，用于NASA探索技術(shù)發(fā)展計劃中的先進(jìn)低溫推進(jìn)和發(fā)展項(xiàng)目，屬于小推力液氫甲烷火箭發(fā)動機(jī)。此外美國還在研制CECE發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)技術(shù)十分先進(jìn)，但也屬于小推力發(fā)動機(jī)。

相比之下中國YF-75發(fā)動機(jī)在2011年進(jìn)行了分系統(tǒng)驗(yàn)收和試驗(yàn)，今年首次全系統(tǒng)試車，成為目前世界上最先進(jìn)的大推力液氫甲烷火箭發(fā)動機(jī)。

何為液氫甲烷發(fā)動機(jī)，它的前景如何

液氧/甲烷是非常古老的液體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑組合，1931年，德國研制了世界上第一臺液氧/甲烷（液化天然氣，LNG）發(fā)動機(jī)，開創(chuàng)了液氧/甲烷火箭發(fā)動機(jī)的研究歷史。

從物理性能看，甲烷屬于低溫推進(jìn)劑，沸點(diǎn)為-161℃，其維護(hù)使用條件與液氫基本相同。在烴類燃料中，甲烷粘性最小，是煤油的1/3。液態(tài)甲烷經(jīng)過再生冷卻后已接近氣態(tài)或已經(jīng)是氣態(tài)。因此，在燃燒室里噴嘴霧化的液滴細(xì)，蒸發(fā)快，燃燒速率高，具有燃燒性能好、燃燒穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

近日傳出消息，美國Space X公司也計劃研制液氧甲烷發(fā)動機(jī)，用于未來的火星探測任務(wù)（圖片來源：深空網(wǎng)）

但由于甲烷沸點(diǎn)比液氫高很多，因此壓縮液化相對要容易很多，在貯箱的絕熱設(shè)計上也更容易，加上比重要比液氫大，因此環(huán)節(jié)了貯箱結(jié)構(gòu)死重問題。

甲烷的另一大優(yōu)點(diǎn)是比熱高，是僅次于液氫的優(yōu)良冷卻劑，相比煤油不容易結(jié)焦，利用設(shè)計合理的再生冷卻結(jié)構(gòu)，可以帶走推力室和其他熱端部件的熱量，并且可以采用對再生冷卻有很高要求的分級燃燒循環(huán)或者膨脹循環(huán)，理論上氫氧低溫發(fā)動機(jī)都具有改造為液氧/甲烷發(fā)動機(jī)的可能。

膨脹循環(huán)主要用于上面級發(fā)動機(jī)，而上面級重量的減輕有助于降低下面級的性能要求，對多級火箭總體設(shè)計的全面優(yōu)化有好處。即便是采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，由于結(jié)焦極限溫度接近1000℃，因此可以提高燃?xì)獍l(fā)生器的工作溫度，甲烷燃?xì)獍l(fā)生器的效率可達(dá)98%，而煤油只有62%～81%。

根據(jù)液氧/甲烷發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用方向包括兩個方面：其一是用于可重復(fù)使用運(yùn)載器，由于甲烷冷卻性能良好、結(jié)焦溫度高、富燃燃燒積碳少、沸點(diǎn)低、重復(fù)使用時無需清洗等特點(diǎn)，液氧/甲烷發(fā)動機(jī)是可重復(fù)使用運(yùn)載器較為理想的選擇；其二是用于運(yùn)載器的上面級和長期在軌飛行器，由于液氧和甲烷沸點(diǎn)分別為90K和112K，接近空間溫度，便于空間長期貯存，同時貯箱間無需特殊的絕熱結(jié)構(gòu)，因此液氧/甲烷發(fā)動機(jī)是未來無毒空間飛行器較好的動力選擇。

YF-75可能是我國未來空天飛機(jī)的理想動力

據(jù)外媒報道，我國在未來可重復(fù)使用航天飛行器領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，據(jù)報道至少存在“神龍”和“翱天”兩個空天飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目。

2004年，中新社消息稱，時任中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院副院長魯宇在當(dāng)時舉行的2004年國際空間法研討會上發(fā)言時透露，中國計劃在2020年左右研制成功第一代可重復(fù)使用運(yùn)載器。

網(wǎng)絡(luò)圖片，中國可重復(fù)使用航天飛行器驗(yàn)證機(jī)“神龍1號”自由飛模型

中國航天的遠(yuǎn)期目標(biāo)是建成完善的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，以研制重復(fù)使用運(yùn)載器為重點(diǎn)，首先研制出兩級重復(fù)使用運(yùn)載器，初步建立滿足市場需求的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，計劃在2020年左右研制成功中國第一代可重復(fù)使用運(yùn)載器。同時開展單級入軌的關(guān)鍵技術(shù)研究，重點(diǎn)突破輕質(zhì)材料和先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，最終研制出快速、機(jī)動、廉價、可靠的單級入軌重復(fù)使用運(yùn)載器。

外媒繪制的中國未來空天飛機(jī)設(shè)想圖

同一次會議上，魯宇透露了中國正在研制的新一代模塊化運(yùn)載火箭的消息，也就是近期正在緊鑼密鼓研制中的長征5、6、7系列火箭。

液氧甲烷發(fā)動機(jī)因具備適合重復(fù)使用的特性成為了未來空天飛機(jī)發(fā)動機(jī)的理想選擇。