推力第一！25噸級氫氧發動機試驗成功，長九三神器湊齊，目標月球

近日，我國重型運載火箭25噸級膨脹迴圈氫氧發動機首臺推力室擠壓試驗取得圓滿成功。其推力是我國現役上面級氫氧發動機的 3 倍，達到世界先進水平。此外就是美國現役推力達到 11 噸的 RL10 膨脹迴圈氫氧發動機，以及隸屬於歐洲航天局，目前正在開發中，且設計推力達到 18 噸的芬奇Vinci膨脹迴圈氫氧發動機。

這意味著我國的新型火箭發動機，是目前世界上推力最大的膨脹迴圈氫氧上面級發動機，正好湊齊了支撐深空探測任務的“三大神器”，成為了我國由航天大國邁向航天強國的標誌性產品。

所謂“三大神器”，分別是指“500 噸級液氧煤油火箭發動機”、“220 噸級補燃迴圈氫氧發動機”，以及本次實驗成功的“25 噸級膨脹迴圈氫氧發動機”。它們要為以後的長征九號重型運載火箭提供動力。

上圖：長征九號

在未來，長征九號將用於中國深空探測、載人登月和登火、空間基礎設施建設（如空間太陽能電站）等任務。它設計採用三級半構型：四枚助推器分別配置 2 臺 500 噸級液氧煤油火箭發動機（YF-130）；芯一級配置 4 臺 YF-130；芯二級配置 2 臺 220 噸級補燃迴圈氫氧發動機（YF-90）；芯三級則是 4 臺 25 噸膨脹迴圈氫氧高空發動機，最終火箭全長 93 米，芯級最大直徑達到 10 米級。

上圖：從左到右，超級獵鷹、土星五號、新格倫、長征九號。

如此巨大的體型也使得長征九號起飛質量超過 4000 噸，但其近地軌道運載能力也高達 150 噸，地月轉移軌道運載能力更是超過美國土星 5 號運載火箭的 50 噸運力。

那究竟什麼是膨脹迴圈氫氧發動機？與其他發動機相比有什麼特點？

氫氧發動機是火箭發動機發展的主要方向之一，能為火箭騰飛提供充足的動力源。其使用的燃料——液氫和液氧，在一定時間內燃燒一定量的燃料所產生的推力比，要比其他燃料高上不少。而且燃料的燃燒產物絕大部分是水，所以在氫氧火箭發動機完全可以稱得上是綠色環保無汙染。

但由於氫氧在常溫下處於氣態，所以作為燃料的液氫、液氧溫度極低。因此為保證液氧和液氫能在發動機內部穩定輸送，就需要採用特製的低溫合金材料，與更復雜的推進劑注入方式。

目前，對於液體推進劑火箭，通常使用四種不同的方式為推進劑注入腔室提供動力。而對於液氫、液氧這樣的低溫燃料，則多選擇分級燃燒迴圈與膨脹迴圈兩種。

上圖：分級燃燒迴圈

分級燃燒迴圈也被稱為補燃迴圈，正好是我國“220 噸級氫氧發動機”注入推進劑的方式。這種發動機有兩種燃燒室：第一個稱為預燃室，第二個稱為主燃燒室。它需要將一種推進劑的全部先經過發動機噴嘴處的熱交換機加熱，再進入預燃室與另一種推進劑的小部分進行燃燒。透過燃燒產生的燃氣吹動渦輪泵增壓，增壓後的燃氣再注入主燃燒室與剩餘的大部分推進劑進行二次燃燒。

值得注意的是，雖然二次燃燒使得燃料效率更高，但也使得發動機的複雜性大大增加，因此，這類發動機不僅推力較高，其質量也更重，不利於小型化。而為了降低複雜性，膨脹迴圈也就有了用武之地。

上圖：膨脹迴圈

在這個迴圈中，燃料用於冷卻發動機的燃燒室，同時吸收熱量。之後經過加熱變為氣態的燃料為渦輪機提供動力，再由渦輪機驅動發動機的燃料泵和氧化劑泵，並注入燃燒室進行燃燒。不過雖然膨脹機循發動機的複雜性較低，但流向燃料的熱傳遞限制了渦輪的可用功率，從而限制了發動機推力。

而目前我國的膨脹迴圈氫氧發動機，順利達到 25 噸級，又創下了一個世界之最：是目前世界推力最大的膨脹迴圈氫氧上面級發動機。據介紹，它擁有高效能、高可靠等優點，具備多次起動和大範圍變推力調節能力，是大型、重型運載火箭上面級和空間飛行器的優選動力。

據瞭解，25 噸級膨脹迴圈氫氧發動機前期已完成發動機系統方案設計與模擬、火炬電點火器試驗驗證、推力室縮比試驗驗證和氫渦輪泵介質試驗驗證等工作。再加上本輪又進行了 2 次熱試驗圓滿成功：分別為 60% 和 100% 額定工況，標誌著該型發動機核心關鍵技術取得全面突破，也為之後的長征九號奠定了堅實的基礎。

當中國有了運力和美國土星五號火箭大致相當，並超過正在研製的美國下一代運載火箭（SLS）的長征九號，就可以完全滿足我們未來的載人月球探測、火星取樣返回以及太陽系行星探測等多種深空探測任務需求，徹底保障了中國在未來宇宙探索和更大更遠空間的話語權。

延伸閱讀

長征九號也將延續長征五號系列化模組化發展思路，總共有三個型號，分別是長征-9、長征-9A、長征-9B。

上圖：從左至右，長征-9、長征-9A、長征-9B

三個型號的不同之處在於助推器數量，其中長征-9 是四助推最大運力版，長征-9A 是兩助推、無助推則是長征-9B。近地軌道運力分別對應150噸、100噸、50噸。有趣的是，2028 年計劃實施的火星取樣返回任務，設計使用的是無助推的長征-9B。