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2020年12月17日，嫦娥五号成功从月球“载土”而归，实现了探月工程“绕、落、回”三步规划的完美收官，这让很多人开始期待，中国下一步是否会开展载人登月项目。2021年3月5日，由中国航天科技集团六院研制的500吨级液氧煤油火箭发动机全工况半系统试车取得圆满成功，为后续重型运载火箭工程研制打下坚实基础，更是扫清了载人登月的一大障碍。
早在2011年，中国火箭发动机专家、航天科技集团六院院长谭永华就公开披露过：中国重型液体火箭的芯一级发动机和助推器，将采用500吨级的液氧/煤油发动机，一秒钟可以完成1.6吨推进剂的高压输送。海平面推力460吨，真空推力501吨，海平面比冲300秒。
近日，央视首次公开了YF-130型500吨级液氧煤油发动机的庐山真面目，该型发动机是长征九号起飞级标配动力，12台发动机可产生5873吨至6000吨起飞推力。
YF-130型液氧煤油发动机延续了YF-100发动机的高压补燃循环路线，并基于多机并联需求采用泵后摇摆方案，一台涡轮泵供应两个推力室的设计，更是国内航天发动机前所未有的情况，500吨级推力指标不仅刷新国内纪录，也刷新了世界双喷管发动机推力纪录，是人类最大推力的双喷管火箭发动机。
▲YF-130火箭发动机泵后摆效果图
500吨级推力指标是当前长征五号使用的YF-100液氧煤油发动机的四倍有余，涡轮泵转速每分钟可以达到1.6万转，形成75兆帕的强大压力，每秒可输送1.6吨推进剂，只需3秒即可形成最大推力。
这次，500吨级火箭液体发动机进行了全尺寸半系统试车，考核了分级启动方案，验证了燃气发生器点火、推力调节器转级等方案。还考核了启动过程燃气发生器、涡轮泵、推力调机器等关键组件的性能及工作协调性。
在液体火箭发动机的主要组件，如推力室、燃气发生器、涡轮泵、自动器和控制系统当中，涡轮泵是最重要的。涡轮泵有点像一个燃气轮机，发动机用部分燃料在独立燃烧室/预燃室里面燃烧，产生燃气驱动涡轮运动，涡轮再通过高速旋转把燃料泵入燃烧室内，带动泵把燃料加压喷入主燃烧室。涡轮泵可以说是液体火箭心脏中的心脏。
▲火箭发动机的涡轮泵
航天科技六院负责人再次确认长征九号可以达到150吨近地轨道运力，与此同时该节目也再次确认2030年前后我国将实施载人登月。
长征九号重型运载火箭基于高轨运力需求采用三级半构型，芯一级配置4台YF-130，四枚助推器各配置2台YF-130；芯二级配置两台YF-90型220吨氢氧发动机，芯三级则是4台YF-79型25吨膨胀循环氢氧高空发动机，火箭全长93米。
▲长征九号重型运载火箭构型
其中芯一级直径9.5米，芯二级液氢燃料贮箱段直径9.5米，该级液氧贮箱段箭体直径则是7.5米，芯三级箭体直径7.5米，最大起飞质量4137吨。除此之外，长征九号也将延续长征五号系列化模块化发展思路，总共有三个型号，分别是长征-9、长征-9A、长征-9B。
▲从左往右依次是长征-9、长征-9A、长征-9B
三个型号的不同之处在于助推器数量的增减，长征-9是四助推最大运力版，两助推是长征-9A、无助推则是长征-9B。近地轨道运力分别对应150吨、100吨、50吨三个档次，2028年计划实施的火星采样返回任务的运力方案之一就是使用无助推的长征-9B火箭。
在执行载人月面科研站建设任务时，长征九号将凭借超越土星五号的大于50吨地月转移轨道运力承运大型舱段载荷。
为什么要发展大推力火箭发动机？
发展大推力火箭发动机，自然是为了发射更大的火箭，一次性运载质量更大的飞船进入太空。上世纪六十年代，美国为了载人登月，专门研发了海平面推力（指发动机在海平面的大气环境下可以达到的推力）6770千牛（690吨）的F-1火箭引擎，而使用此引擎的土星5号火箭更是协助美国完成了阿波罗登月任务，运载“Skylab（天空实验室）”空间站入轨。
我国计划将YF-130发动机作为长征9号运载火箭的第一级发动机，长征9号运载火箭的计划近地轨道（LEO）运载能力大约为140吨，这么大的质量自然是给载人登月准备的。为宇航员提供生命维持和生活需求，需要相较于无人登月更大的空间，这也是为什么载人登月需要运载能力更强的火箭执行任务。除此之外，也可以用于一次性发射一个空间站主体组件，省却了在轨对接的复杂事项，安全系数自然也会随之提高。
回看中国的火箭发动机发展步骤，遵循的依然是“小步快跑”的方针政策：使用一代，研发一代，论证一代。比起美国在“传家宝”级别的AJ-10火箭发动机上改来改去的历史，如此的“小步快跑”模式在设计与利用上拥有更大的改动空间与性能弹性，也能在研发过程与论证过程中找到可以利用的技术，对现有发动机进行改进。这样的发展模式不仅发展速度快，而且技术稳妥，唯一的缺点便是对科研人才的需求较大，但这个缺点对我国庞大的受教育人口来讲并非不可接受的缺点。
如果说长征5号使用的120吨级的YF-100火箭发动机，为我国推开了重型运载火箭的门缝，那么500吨级的YF-130火箭发动机则是真正打开了大门。不论是载人登月、火星探索或是深空探索，都需要一张“重型运载火箭”的入场券，这也让我们在航天技术上达到了世界领先水平。 |
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发表于 2021-5-21 00:11:14
