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21-11-01 17:26 微博认证:科学科普博主

【《长征五号运载火箭助推动力系统》论文一览】长征五号起飞级异型发动机点火方案:
CZ-5火箭是我国首次采用10台大推力异型发动机点火起动的火箭,较采用同型发动机点火起动的N-1火箭难度更大。为了同时平衡能量利用最大化、火箭有效载荷最大化、发射场冷却水消耗量最小化和异型发动机点火匹配最优等因素,最终制定火箭点火方案为:点火指令发出后,首先芯一级YF-77起动,经过7s左右YF-77开始产生推力,此时助推级YF-100起动,约2s后两型发动机总推力达到并超过箭体的总重量,火箭离开发射台起飞。
火箭发射时由于YF-77氢氧机起动前需要预冷并吹除液氢供应管路和氢泵,预冷后的氢直接排出,为了防止泄漏的液氢在箭体周围形成大量氢雾造成点火时爆燃,芯一级YF-77需要先起动点火。同时,为了防止YF-77点火后产生的高压燃气窜入还未点火的YF-100推力室中,从而影响YF-100的正常点火,YF-100在YF-77点火前进行推力室燃料系统高压吹除,确保之后发动机正常起动。
由于YF-100燃烧室主流燃气温度可达3800K,且CZ-5起飞级多台发动机同时工作,发动机喷管出口处热流密度大,加热效应显著,故而CZ-5助推级YF-100发动机加装了防热裙。

YF-100富氧补燃循环液氧煤油发动机有以下特点:
1)低成本。煤油推进剂价格是液氢的1/100,是偏二甲肼的1/30。
2)高性能。密度比冲高,无毒无污染,安全性好,燃烧室压力达到18MPa,国产煤油传热试验研究结果表明YF-100燃烧室压力还可以进一步提高。
3)自身起动。发动机采用化学点火剂点火,点火剂存储在点火导管内,用膜片密封。发动机起动时,高压气体推动液体燃料挤破膜片,使点火剂分别进入燃气发生器和推力室,并与液氧自燃点火。
4)多次使用。目前YF-100寿命超过10倍工作时间,初步计算表明推力室和涡轮泵等主要组件的使用寿命达30次以上。
5)推力可调。发动机单机推力调节能力达50%~105%,混合比调节范围为±10%。
6)新材料应用。与以往主要采用普通不锈钢材料的开式循环发动机不同,YF-100成功应用了50余种金属和非金属材料,其中包括:GH4202、GH4586等高强度镍基变形高温合金,高强不锈钢材料、高导热性铜合金材料,多种高性能石墨材料、铜石墨粉末冶金材料、橡胶材料等。

YF-100后续改进方向:
推重比对于有效载荷的影响与发动机型号紧密相关,高空发动机的影响最大,助推级发动机比冲对火箭有效载荷的影响明显大于推重比。后续可通过改进技术方案(如采用泵后摆技术)、提升制造工艺、研制轻质耐热材料和新型高能火箭煤油进一步提高液氧煤油发动机各项性能指标和固有可靠性。