载人登月主动力——大推力液氧煤油发动机研究

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1、载人航天2011年第1期基础研究载人登月主动力一大推力液氧煤油发动机研究李斌栾希亭张小平(西安航天动力研究所)摘要大推力液氧煤油发动机是航天运载主动力的发展方向。是栽人登月等重大航天活动的动力基础。提出了我国栽人登月主动力—-600吨级双推力室液氧煤油发动机的发展设想，并提出了该发动机补燃循环、泵后摇摆等总体方案，选择了发动机主要参数，进行了总体布局设计，梳理了关键技术，探讨了其用途。这将大幅提升我国进入空间的能力，以满足我国载人登月和深空探测等重大航天活动的动力需求。关键词载人登月液体火箭发动机液氧煤油补燃循环泵后摇摆分类号V

2、434文献标识码A文章编号1674—5825(2011)01—0028—061前言航天活动需要大推力的火箭发动机提供动力。载人航天、载人登月等重大航天活动更需要大推力、高可靠性、高安全性的火箭发动机支撑，可谓发动机的推力有多大。人类的足迹就有多远。大推力液氧煤油发动机是运载火箭下面级主动力的全球选择之一，几十年的航天发展中，美、俄等航天国家研制了多种具有重大历史意义的大推力液氧煤油发动机，奠定了其航天强国的地位。上世纪八十年代末期以来，我国研制了120吨级液氧煤油发动机【l】，掌握了补燃循环等多项先进技术，采用该发动机的新一代运

3、载火箭正在研制，即将形成以液氧煤油发动机为主的航天动力体系。然而，随着我国综合国力的快速增强和航天事业的快速发展，120吨级发动机的在推力量级方面不能完全满足未来建设航天强国的需求。为此，我国应研制下一代大推力火箭发动机。在大推力发动机方案论证中，需要重点考虑发动机的使用成本、技术带动性和技术继承性。成本是未来航天发展特别是商业发射市场竞争的核心，液氧煤油推进剂成本低廉、无毒环保，发动机性能高、使用维护方便，在控制航天发射成本方面是最佳的动力选择。技术带动性是重大项目需要考虑的指标，液体火箭发动机涉及气动、传热、流体力学、燃烧、

4、工艺、材料等多项重大高新技术，可以带动相关技术领域的重大突破，符合建设创新型国家的国策。目前。我国已成功突破液氧煤油发动机的一系列重大技术，建成了一大批基础设施，进一步发展大推力液氧煤油发动机有利于技术的继承，实现循序渐进、持续发展。因此，大推力液氧煤油发动机符合我国国情，是我国未来载人航天、载人登月合理的动力选择之一。本文研究了国内外航天动力技术的发展现状和发展趋势，提出我国载人登月主动力——大推力液氧煤油发动机的发展设想：2015年左右，完成推力室、燃气发生器、主要自动器等组件验证平台的考核试验，并衍生出300吨级液氧煤油发

5、动机，用于超大型运载火箭，满足多次对接、有限规模载人登月的需求；2020年左右，研制出600吨级双推力室液氧煤油发动机，用于近地球轨道(LEO)运载能力百吨级以上的重型运载火箭，满足我国本世纪中前期载人登月等各项重大航天活动的需求。2国内外大推力火箭发动机发展现状与趋势几十年的航天发展中，各航天大国研制了多种来稿日期：20l咖8—23；惨回日期：20ll—12一18。作者简介：李斌(1969．∞一)，男，硕士．研究员，主要从事液体火箭发动机研究工作。28基础研究载人航天2011年第l期大推力火箭发动机。上世纪五十年代，苏联率先研

6、制成功RD—107／108液氧煤油发动机。以其为动力的“联盟”号运载火箭，将首位航天员送入太空，开创了载人航天的历史。目前，采用液氧煤油发动机“联盟”号运载火箭是国际载人航天的主力。六十年代，美国研制了680吨级的F一1液氧煤油发动机，用于“土星V”运载火箭，1969年7月20日，成功实现载人登月的伟大壮举【刁。同时期，苏联研制了推力150吨级的NK一33液氧煤油发动机。由于该发动机推力低，登月的“N—l”火箭一级需要采用30台。发动机台数太多、动力系统过于复杂加上质量控制等原因，导致火箭可靠性降低，造成“N—l”火箭4次飞行试

7、验全部失败，整个登月计划以失败告终131。七、八十年代，苏联吸取N—l的教训，研制成功推力740吨级的RD一170液氧煤油发动机。达到了液体火箭发动机技术的顶峰。苏联解体后，俄罗斯又研制成功了380吨级的RD一180和200吨级的RD—191液氧煤油发动机，技术水平遥遥领先其它国家，并开始出口发动机产品、输出发动机技术，帮助美国、欧洲、印度、日本、韩国研制液氧煤油发动机及其运载火箭。六、七十年代的军备竞赛中，美国建设了规模庞大的固体火箭发动机生产体系。七十年代末，随着战略武器的削减，美国固体发动机厂商庞大的生产能力严重过剩。为保

8、证就业和维持生产体系，美国航天飞机等运载器开始采用固体发动机。受其影响，欧洲和日本的运载火箭也随之采用固体发动机。这一选择使美国、欧洲和日本在液氧煤油发动机技术领域发展不足。‘九十年代以来，由于固体助推器成本高昂、污染严重，美国等西方国家开始积极引进俄罗斯液氧煤