上面是最新版本长征九号运载火箭的技术方案。和马斯克的星舰方案已经非常接近了。不过值得注意的是这个版本的性能指标仍然是非常保守的,真正研制出来,肯定会比星舰的指标高出很多。因为现在长征九号的方案采用的是10.6米的箭体直径,比星舰的9米直径粗很多,而且长度是114米,跟星舰总共119米的长度相比差不多,算下来体积远超星舰。而且使用的发动机也是和星舰同级别的200吨级全流量分级循环液氧甲烷发动机。长征九号运载火箭的技术方案其实有很多版本。早期有2008版本还有2021版本等。
不过早期的方案有个共同特点,那就是芯级用的都是500吨级的液氧煤油发动机,或者是220吨级液氢液氧发动机。一直到2022版以及最新版本才换成200吨级的全流量分级循环液氧甲烷发动机。这里的500吨级液氧煤油发动机就是480吨推力的YF-130液氧煤油发动机。
那么YF-130液氧煤油发动机真的要被完全放弃了吗?其实未必!因为YF-130的研制工作已经接近完成。付出巨大努力取得的成果当然不能浪费。虽然最新的长征九号运载火箭放弃了使用YF-130火箭发动机的方案,采用了类似星舰的200吨级全流量液氧甲烷发动机方案。但是这并不意味着星舰的技术方案就没有风险了,在一级箭体上捆绑三十三台发动机。如此多的发动机系统整体可靠性有没有问题,大量发动机之间共振有没有问题,单台发动机爆炸产生的非包容性事故问题能不能解决,这些问题到现在还没有真正的答案。
所以我们还是让马斯克在前面帮我们趟一趟地雷吧,摸着鹰酱过河省时省力,不摸白不摸。如果三十多台发动机的技术路线有问题,我们还有YF-130这个备胎可以用。如果发动机数量过多导致总体可靠性有问题,我们还可以拐回头来继续用YF-130,这样发动机数量至少可以减少一半,对提高系统可靠性是非常有帮助的。
而且我们最近也验证成功了700吨级的火箭发动机试车台。完全可以把YF-130继续改进升级到25MPa的室压,YF-130原有室压在18MPa左右的样子。通过提高室压就可以把YF-130的推力提高到700吨左右。这其实就是我们上马700吨级的火箭发动机试车台的最终目标。这个试车台的出现也意味着我们不会放弃480吨推力的YF-130,也不会放弃在此基础上发展而来的700吨级YF-130改进型号。
其实原来的YF-130发动机原定目标并不是480吨而是660吨推力。只是受到现有500吨级火箭发动机试车台的限制,先行降低室压到18MPa。成功后再提高到25MPa的室压,发动机推力就能提高到700吨左右。这样也有效降低了技术风险,这属于非常稳妥的做法。我们的航天工作者还是非常靠谱的,比孤注一掷的马斯克要强多了。
这条技术路线实际上是有型号在前面探路的,那就是YF-135液氧煤油发动机,和YF-130一样也是高压补燃循环的液氧煤油发动机。YF-135其实就是去掉一个推力室的YF-130,室压提高到25MPa左右,单台推力为360吨。目前YF-135发动机研发顺利,已经进行了燃气发生器-涡轮泵联合热试车。
即使长征九号运载火箭的最新方案技术上有问题,我们改回液氧煤油发动机方案,技术上也不是很复杂,10.6米的箭体结构基本上可以修改后继续保留,然后把发动机换了就行。如果把YF-130发动机的推力提升到700吨左右,发动机数量仍然有十几台,即使其中一台有故障,对整个发射任务的影响仍然可控。因为YF-130发动机的重量只有6吨出头,对于起飞重量四、五千吨的长征九号来说影响不大。只要火箭燃料还在,其它发动机多烧一会,仍然可以达到足够的速度,不影响载荷入轨。
有人可能会说液氧煤油发动机不利于复用,其实液氧煤油发动机也是可以复用的。在YF-100基础上就有可以复用的YF-100N,以及YF-102等可以复用的液氧煤油发动机型号。
而且研制成功YF-130和YF-135,对于我们研制成功200吨级的全流量分级燃烧循环的液氧甲烷发动机仍然具有重要意义。因为从液体火箭发动机的循环方式上来看,难度最高的是全流量分级燃烧循环,然后是富氧分级燃烧循环,其次是富燃分级燃烧循环,再往后是燃气发生器循环。全流量的液氧甲烷发动机属于全流量分级燃烧循环,这种循环方式,其实同时包含了富氧分级燃烧循环和富燃分级燃烧循环两种循环方式。燃料注入涡轮泵采用的是富燃分级燃烧循环,氧化剂注入涡轮泵采用的是富氧分级燃烧循环。
YF-130和YF-135发动机采用的是富氧分级燃烧循环方式,这是最难的一种循环方式。这个搞定了,富燃分级燃烧循环就容易多了。而且YF-135发动机又试验了高室压的参数指标,YF-130发动机也试验了大推力的参数指标。有这两型发动机在前面探路,可以大大降低200吨级全流量液氧甲烷发动机研制的技术难度和研发周期。所以说到底,采用两条腿走路的模式,才是更稳妥可靠的发展思路,毕竟航天是高风险行业。