近日，我國(guó)重型運(yùn)載火箭25噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)推力室擠壓試驗(yàn)取得圓滿成功。其推力是我國(guó)現(xiàn)役上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的 3 倍，達(dá)到世界先進(jìn)水平。此外就是美國(guó)現(xiàn)役推力達(dá)到 11 噸的 RL10 膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，以及隸屬于歐洲航天局，目前正在開(kāi)發(fā)中，且設(shè)計(jì)推力達(dá)到 18 噸的芬奇Vinci膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。

這意味著我國(guó)的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是目前世界上推力最大的膨脹循環(huán)氫氧上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，正好湊齊了支撐深空探測(cè)任務(wù)的“三大神器”，成為了我國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志性產(chǎn)品。

所謂“三大神器”，分別是指“500 噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”、“220 噸級(jí)補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)”，以及本次實(shí)驗(yàn)成功的“25 噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)”。它們要為以后的長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭提供動(dòng)力。

上圖：長(zhǎng)征九號(hào)

在未來(lái)，長(zhǎng)征九號(hào)將用于中國(guó)深空探測(cè)、載人登月和登火、空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（如空間太陽(yáng)能電站）等任務(wù)。它設(shè)計(jì)采用三級(jí)半構(gòu)型：四枚助推器分別配置 2 臺(tái) 500 噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-130）；芯一級(jí)配置 4 臺(tái) YF-130；芯二級(jí)配置 2 臺(tái) 220 噸級(jí)補(bǔ)燃循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-90）；芯三級(jí)則是 4 臺(tái) 25 噸膨脹循環(huán)氫氧高空發(fā)動(dòng)機(jī)，最終火箭全長(zhǎng) 93 米，芯級(jí)最大直徑達(dá)到 10 米級(jí)。

上圖：從左到右，超級(jí)獵鷹、土星五號(hào)、新格倫、長(zhǎng)征九號(hào)。

如此巨大的體型也使得長(zhǎng)征九號(hào)起飛質(zhì)量超過(guò) 4000 噸，但其近地軌道運(yùn)載能力也高達(dá) 150 噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力更是超過(guò)美國(guó)土星 5 號(hào)運(yùn)載火箭的 50 噸運(yùn)力。

那究竟什么是膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)？與其他發(fā)動(dòng)機(jī)相比有什么特點(diǎn)？

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要方向之一，能為火箭騰飛提供充足的動(dòng)力源。其使用的燃料——液氫和液氧，在一定時(shí)間內(nèi)燃燒一定量的燃料所產(chǎn)生的推力比，要比其他燃料高上不少。而且燃料的燃燒產(chǎn)物絕大部分是水，所以在氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以稱得上是綠色環(huán)保無(wú)污染。

但由于氫氧在常溫下處于氣態(tài)，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(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定輸送，就需要采用特制的低溫合金材料，與更復(fù)雜的推進(jìn)劑注入方式。

目前，對(duì)于液體推進(jìn)劑火箭，通常使用四種不同的方式為推進(jìn)劑注入腔室提供動(dòng)力。而對(duì)于液氫、液氧這樣的低溫燃料，則多選擇分級(jí)燃燒循環(huán)與膨脹循環(huán)兩種。

上圖：分級(jí)燃燒循環(huán)

分級(jí)燃燒循環(huán)也被稱為補(bǔ)燃循環(huán)，正好是我國(guó)“220 噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)”注入推進(jìn)劑的方式。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種燃燒室：第一個(gè)稱為預(yù)燃室，第二個(gè)稱為主燃燒室。它需要將一種推進(jìn)劑的全部先經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴處的熱交換機(jī)加熱，再進(jìn)入預(yù)燃室與另一種推進(jìn)劑的小部分進(jìn)行燃燒。通過(guò)燃燒產(chǎn)生的燃?xì)獯祫?dòng)渦輪泵增壓，增壓后的燃?xì)庠僮⑷胫魅紵遗c剩余的大部分推進(jìn)劑進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性大大增加，因此，這類發(fā)動(dòng)機(jī)不僅推力較高，其質(zhì)量也更重，不利于小型化。而為了降低復(fù)雜性，膨脹循環(huán)也就有了用武之地。

上圖：膨脹循環(huán)

在這個(gè)循環(huán)中，燃料用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，同時(shí)吸收熱量。之后經(jīng)過(guò)加熱變?yōu)闅鈶B(tài)的燃料為渦輪機(jī)提供動(dòng)力，再由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料泵和氧化劑泵，并注入燃燒室進(jìn)行燃燒。不過(guò)雖然膨脹機(jī)循發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)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(fā)動(dòng)機(jī)推力。

而目前我國(guó)的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，順利達(dá)到 25 噸級(jí)，又創(chuàng)下了一個(gè)世界之最。據(jù)介紹，它擁有高性能、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，具備多次起動(dòng)和大范圍變推力調(diào)節(jié)能力，是大型、重型運(yùn)載火箭上面級(jí)和空間飛行器的優(yōu)選動(dòng)力。

據(jù)了解，25 噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)前期已完成發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與仿真、火炬電點(diǎn)火器試驗(yàn)驗(yàn)證、推力室縮比試驗(yàn)驗(yàn)證和氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。再加上本輪又進(jìn)行了 2 次熱試驗(yàn)圓滿成功：分別為 60% 和 100% 額定工況，標(biāo)志著該型發(fā)動(dòng)機(jī)核心關(guān)鍵技術(shù)取得全面突破，也為之后的長(zhǎng)征九號(hào)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)中國(guó)有了運(yùn)力和美國(guó)土星五號(hào)火箭大致相當(dāng)，并超過(guò)正在研制的美國(guó)下一代運(yùn)載火箭（SLS）的長(zhǎng)征九號(hào)，就可以完全滿足我們未來(lái)的載人月球探測(cè)、火星取樣返回以及太陽(yáng)系行星探測(cè)等多種深空探測(cè)任務(wù)需求，徹底保障了中國(guó)在未來(lái)宇宙探索和更大更遠(yuǎn)空間的話語(yǔ)權(quán)。

延伸閱讀

長(zhǎng)征九號(hào)也將延續(xù)長(zhǎng)征五號(hào)系列化模塊化發(fā)展思路，總共有三個(gè)型號(hào)，分別是長(zhǎng)征-9、長(zhǎng)征-9A、長(zhǎng)征-9B。

上圖：從左至右，長(zhǎng)征-9、長(zhǎng)征-9A、長(zhǎng)征-9B

三個(gè)型號(hào)的不同之處在于助推器數(shù)量，其中長(zhǎng)征-9 是四助推最大運(yùn)力版，長(zhǎng)征-9A 是兩助推、無(wú)助推則是長(zhǎng)征-9B。近地軌道運(yùn)力分別對(duì)應(yīng)150噸、100噸、50噸。有趣的是，2028 年計(jì)劃實(shí)施的火星采樣返回任務(wù)，設(shè)計(jì)使用的是無(wú)助推的長(zhǎng)征-9B。