【原创文章】中国是如何“抄袭”RD-120的•前传-YF-100和RD-120的区别

(长征五号遥2运载火箭发射瞬间,此时芯级的YF-77发动机已经点火,助推器的YF-100发动机即将点火,本次任务虽然失利,不过YF-100发动机圆满的完成了助推器段的工作

本文原于2020年7月16日刊登于B站专栏投稿,作者:“LM-51D-YZ4D2”,航天爱好者网授权转载就文体适当修改。文章观点不代表本站观点,最终解释权在文章原创作者。原文如下:

看到标题先别骂我,本文是“中国是如何“抄袭”RD-120的”系列前传,针对一个很有意思的误解。
本系列将介绍中国航天六十年研制液氧-煤油发动机的历程。


“开头就是冲塔50万”:
在文昌201工位转运的长征七号甲遥一火箭(图源见水印)

长征七号甲遥一起飞瞬间(图源见水印)

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,火箭在南海上空解体,发射失败

工作正常的YF-100发动机(图源见水印)

不得不说,这次发射的失败对于期待着“超级2020”的中国航天着实是一记“巴掌”,而在此之后,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,然后一头撞上了二级,并且“这次失败将影响到中国航天的大布局”。

小道消息:问题出在这张当时最高清近照的主角,二级(图源见水印)

三个月后(文章7月发布)我们回头看来,这个说法确实是无稽之谈。但是显而易见的是,YF-100太重要了。这款海平面推力122吨的补燃循环液氧煤油火箭发动机,决定着中国所有新一代运载火箭能否起飞。
但是,对于YF-100,国内国外总有着它属于RD-120系列的看法。比如这位胜世天骄
真就我以为的就是我以为的呗
也包括某些所谓“专业”的航天网站注意YF-100K的推力
那么,YF-100和RD-120发动机,究竟是不是所谓的一母同源?
显然不是。


0.0.1 引进RD-120的前后

【历史事件节点】

1986年,067基地设立“高技术组”,进行液氧-烃类推进剂燃烧试验。此阶段进行了液氧-甲烷,液氧-煤油,液氧-丙烷等多种推进剂组合燃烧试验。
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
2001年4月和7月,YF-100进行了第一次和第二次试车,均发生了爆炸
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。
2002年5月16日,YF-100第五次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,抱龙峪专用试车台完成考台试车。
2015年9月25日,随着长征六号运载火箭发射升空,YF-100火箭发动机拉开了其在新一代运载火箭上使用的序幕。


0.0.2 RD-120的技术状态

RD-120火箭发动机是一台大推力的液氧-煤油高压补燃高空火箭发动机,用于Zenit(天顶)系列二级。

发射萤火一号与福布斯-土壤号探测器的Zenit-2FG(天顶2号增加DM上面级的定制天顶2,也是最后一发天顶2)

RD-120由俄罗斯动力科研生产联合体研制,发动机代号11D123。发动机采用富氧燃烧模式,一次工作,不可摆动。作为高空启动发动机,其安装了两个容积为20L的气瓶,充压压力为21.57±0.98Mpa,用来在启动时推动液氧预压泵和煤油预压泵。RD-120主泵为箱压启动,天顶一二级分离是RD-8先点火,随后一二级分离,RD-120再点火。液氧预压泵前安装有过滤器,用于确保液氧的清洁度(NK-15风评被害)。液氧主泵为一级泵,入口压力1.28Mpa,出口压力33.98Mpa,驱动氧化剂大部分进入预燃室,小部分驱动氧预压泵。煤油为二级泵,第一级煤油泵入口压力为0.5Mpa,出口压力为29.42Mpa。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,而第三路则通过第二级煤油泵进入预燃室。第二级煤油泵出口压力为48.82Mpa。RD-120的预燃室室压31.85Mpa,使用液氧冷却。预燃室富氧燃气燃烧后大部分驱动涡轮做功后进入推力室。涡轮入口压力31.72Mpa,出口压力17.98Mpa,入口温度735K,出口温度667K。主泵转速19230rpm,功率12937kW。涡轮功率24605.5kW。燃气驱动涡轮后大部分进入推力室进行燃烧,少部分燃气流经氦加温器后进入液氧泵泵前。氦气加温器用于加热氦气瓶,进行储箱增压。

RD-120发动机使用TEA-TEB点火,使用的TEA-TEB由13%的三乙基铝和87%的三乙基硼组成。

RD-120发动机真空推力833.6kN(后提升至912kN),真空比冲3433.5N·s/kg,自重1125kg(不包括发动机推进剂),总流量242.86kg/s(其中液氧175.4kg/s,煤油67.46kg/s),发动机混合比2.6。推力室室压16.28Mpa,喷管出口压力12.75kpa,面积比106。发动机节流范围83%-100%。【RD-120系列火箭发动机(从左到右分别为RD-120、RD-120、RD-120M、RD-120K、RD-120U)】这里只聊基本型的RD-120,也就是实际使用的RD-120型号,不过天顶2与天顶3的RD-120性能有所不同,天顶3的真空推力、燃烧室压力、混合比、流量(吨/秒)较天顶2有所提升。

RD-120是不可变推力发动机,虽然具备83%-100%的节流范围,但是推力需要在地面进行程序设定,火箭在飞行时按照设定程序工作,不具备高空自行推力变化能力。噢这里有个错误,一般运载火箭发动机喉部压力已经是室压减半,不可能出口压力还有12.75Mpa,结合YF-20出口压力0.063Mpa,可以判定RD-120喷管出口压力单位打错了,应该是kpa。RD-120发动机结构图

RD-120推力室性能参数

RD-120涡轮工况

RD-120涡轮压比1.8,涡轮效率0.74

RD-120预压泵性能参数RD-120预燃室性能参数

RD-120燃气发生器头部示意图

RD-120发动机燃气发生器示意图

RD-120发动机燃气发生器驱动涡轮示意图

RD-120选择液氧对燃气发生器进行冷却,一方面是因为燃气发生器液氧流量大,液氧作为冷却剂,流量可以满足要求,结构上容易实现。另一方面燃气发生器工作压力高,液氧处于超临界工况,可以充分利用超临界状态下液氧所具有的很好的冷却性能;此外,由于燃气温度较低,与推力室相比其热流密度很小,故所需的冷却剂流量小;同时富氧燃气发生器产生的是富氧燃气,降低了冷却剂出现泄漏的危险性。

RD-120的燃气发生器采用了双组元内混合离心式喷注单元,单个喷注单元平均质量流量大、接近5kg/s。在富氧燃气发生器的工作过程中,大约20%的氧化剂由外喷嘴上的双排切向孔迸人喷注单元.与内喷嘴的煤油在喷注单元内迸行预混合,在喷注单元出口处形成高温燃烧的稳定火焰,剩余80%的氧化剂通过二次喷注孔喷入,与喷注中心部分的燃烧产物进行掺混,形成温度较为均匀的富氧燃气。

在RD-120发动机的富氧燃气发生器中,喷注器由37个喷注单元组成,在喷注器面按同心圆排列成四圈,数量按1,6,12,18递增,按同心圆排列喷注单元有利于燃气温度和成分的均匀分布

RD-120发动机燃气发生器燃气发生器喷注单元示意图


RD-120发动机喷注器及喷嘴排列示意图

图中可以看到RD-120的两个预压泵启动气瓶


0.0.3 YF-100的技术状态

YF-100是一型液氧-煤油高压补燃循环起飞级火箭发动机,用于中国新一代运载火箭,包括长征五号系列助推器,长征六号一子级,长征六号甲一子级,长征七号系列助推器/一子级,长征八号系列助推器/一子级。

YF-100由中国航天科技集团西安航天动力研究所研制,采用富氧燃烧模式,一次工作,可摆动。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使用TEA-TEB点火。

101325×500=50.66Mpa

YF-100海平面推力1188kN,真空推力1340.5kN。海平面比冲2942N·s/kg,真空比冲3286.2N·s/kg。自重1900kg(包括推进剂),总流量403.7kg/s(其中液氧291.56kg/s,煤油112.14kg/s),发动机混合比2.6,混合比可以在±10%范围内调节。推力室室压18Mpa,面积比35,发动机节流范围65%-100%。

YF-100双向版本型号摇摆 ± 5°,单向摇摆 ± 8°,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。

长征六号遥3运载火箭发射画面,主义一级尾舱 燃气滚控(图源见水印)

据计算,按照100%燃烧效率,YF-100喷管出口压力冻结流39.5kpa,平衡流52.39kpa。真实情况介于二者之间。

YF-100火箭发动机

注意上图YF-100火箭发动机喷管右侧上方的那个球,那里面装的是点火用的TEA-TEB。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发动机结构图

论文:深度变推力液氧煤油发动机初步方案研究

论文:液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究

论文:基于机电伺服控制的液氧煤油发动机推力调节技术

据最新论文显示,YF-100发动机已具备49%-108%工况工作能力,室压提升至19Mpa,并且具备变推力工作能力


0.1.1 为什么会有人认为YF-100是抄袭RD-120?
欲加之罪,何患无辞


0.1.2 YF-100和RD-120究竟有什么区别?
I. YF-100是地面工作至近高空(长征五号助推器分离高度72-75km,未出卡门线);RD-120是真空工作发动机。而且在不同环境下推进剂的点火迟滞时间不一样,导致点火状态不一样。
II.YF-100可摆动,RD-120不可摆动。Zenit二级飞行段使用的是RD-8进行控制。
III.YF-100发动机流量远大于RD-120,室压也高于RD-120。这直接导致二者推力室流场不同,同样,液相分区,隔板分区,喷注器等设计都不同。这是抄不出来的。
IV.YF-100使用涡轮后燃气驱动氧预压泵,RD-120使用主泵后高压液氧驱动氧预压泵。
V.RD-120喉部扩张不足,直接导致发动机比冲偏低。而YF-100喉部扩展较为完全,后者对材料工艺的要求更高。
VI.YF-100有初末级工况,RD-120无初末级工况。拥有初末级工况对发动机故障检测更有利。
这些都明确了YF-100和RD-120的技术状态完全不同,绝非照抄。能说出YF-100照抄RD-120的,完全可以认为这种人对航天工程一窍不通。


0.1.3 一些其他的故事
I.毛子当年没给土鳖RD-120图纸。
II.1980年代,YF-115就立项了。
III.俄罗斯95年给中国的RD-120是飞行状态而非试验状态,RD-120第一次在凤州点火的时候,很多部件是067基地紧急加工出来的。
IV.RD-120在凤州两次试车都使用了中国的国产煤油而非俄罗斯的专用煤油。因为担心烧坏发动机,研发人员产生了极大分歧,甚至在会议上拍了桌子。
V.1998年,YF-100发动机遇到喉部材料强度不足的问题,航天总公司都找了俄罗斯工厂进行合作,然后被老毛子拍回来了。直到北钢院研发出“苏博士钢”,才克服了YF-100喉部高热流密度导致材料强度不足的难题。
VI.如果真的想照抄RD-120,2005年前土鳖就能搞出YF-120(误)


0.1.4 引进RD-120对中国航天的意义
虽然RD-120和YF-100根本不是所谓的“子承父业”,但是引进RD-120确实对中国研发液氧-煤油高压补燃循环火箭发动机起到了极大的促进。
首先,RD-120使中国科研人员接触到了补燃循环液氧-煤油发动机工作模式,搞清了液氧-煤油发动机工作特性
其次,中国科研人员通过引进RD-120学到了液氧-煤油发动机的试车持续和清理过程
第三,证明了国产的煤油推进剂可以胜任补燃循环工作(沥青基煤油出来挨打)


0.2.1 总结

现在对于YF-100的出身基本已经认定。但是仍然有那么几个人不惜余力的抹黑中国,也有一些挂着“微科普”或者“吐槽”的名义发布此类言论,或者对中国运载火箭技术发展史不够熟悉而产生错误认识。希望本篇可以让更多人明白YF-100的研发绝对不是简单copyRD-120,正如给你一张70分的模拟卷,然后你照着这张卷子高考就考了90分一样。别看都是补燃循环,技术状态的差距可能远在天边。我们不能否认RD-120对中国航天的新一代运载火箭发展起到了极大的促进,但是仅仅因为引进过RD-120就否认那么多设计员,工艺员的努力与付出,这是极不公平甚至可以认为是无耻的行为。

(YF-100K泵后摆120吨级液氧煤油发动机模型)

YF-100与YF-100K发动机比对

YF-100发动机仍然在进行升级,到现在已经具备了变推力工作和较深度节流的能力,在“抄袭仿制RD-120”这条路上,YF-100可以说是“越来越偏”了。(这段话的意思看你们理解能力咯)

中国航天永远不会因为几个人的抹黑就停下脚步


鸣谢:
感谢超级loveovergold提供的RD-120资料和YF-100涡轮泵性能数据
感谢DF-Express,Scarletkaze,cooldiy_cn对本文进行审核并且提供了有用的建议

2020.07.16.


最后插入几张YF-100发动机在新长征上的工作瞬间。截止2020年10月,YF-100发动机已经在3发长征6号(发动机首飞也是长征6号Y1),5发长征五号系列,3发长征7号系列中使用,在实际发射中,YF-100发动机本身都是圆满的完成了自己短暂而辉煌的一生,相信不久,YF-100K会加入到重复使用的火箭发动机行列

《【原创文章】中国是如何“抄袭”RD-120的•前传-YF-100和RD-120的区别》上的10个想法

  1. “中国航天永远不会因为几个人的抹黑就停下脚步”,“地球不肯给我的,我要从星星那里去寻找”

  2. 一句抄袭否定了科技人员数十年的付出,这是不负责任的,感谢作者对这些问题作出还算是详尽的解答

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