看過我視頻的朋友恐怕都有印象，印度的大火箭GSLV mkⅢ的上面級液氫液氧發(fā)動機推力20噸，超過中國長征五號上面級發(fā)動機YF-75D的9噸。很多朋友表示不服，認為這肯定是假消息。我再重申一遍這并不是假消息，所有信息都是公開的，大家都可以查到。但是，今天我必須再深入解釋一下這個差距，因為中國剛剛試車了25噸級液氫液氧發(fā)動機。剛好可以用來比較一下，兩家的真正差距是什么。我是東城觀星，接著說火箭那些事。

一、印度的上面級發(fā)動機推力領先中國，到底是怎么回事

說出來，你可能不相信，印度的20噸級液氫液氧發(fā)動機，并不是從其它國家采購的，而是自行研制的，只不過參考了俄羅斯的發(fā)動機。從推力上來說確實超過了中國的上面級液氫液氧發(fā)動機。但是，中國長征五號使用的YF-75D是膨脹循環(huán)發(fā)動機，而印度的CE-20是燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機，CE-20跟中國長征五號使用的50噸級液氫液氧發(fā)動機YF-77工作原理類似。只不過YF-77是低空工作，而CE-20是高空工作。

你可能認為，膨脹循環(huán)發(fā)動機要比燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機更復雜、更先進。那你只理解對了一半，膨脹循環(huán)發(fā)動機確實是新一代的上面級發(fā)動機，可以認為更先進。但是，一般來說膨脹循環(huán)發(fā)動機相對于其他類型的發(fā)動機結(jié)構更簡單、推力更小，而不是更復雜、推力更大。

CE-20

YF-75D

目前，世界上掌握膨脹循環(huán)發(fā)動機技術的有美國、俄羅斯、歐空局、日本和中國。相對來說，中國是入局比較晚的國家，技術上還有一定的差距。但這次25噸級閉式膨脹循環(huán)發(fā)動機的成功，卻讓中國大大縮小了與領先國家的差距，同時還有局部參數(shù)的領先，至少推力目前是世界上最高的。

中國閉式膨脹循環(huán)技術加持的25噸級液氫液氧發(fā)動機，和印度的20噸級液氫液氧發(fā)動機并不在一個水平線上，而是提高了一個技術維度。下面我們講講膨脹循環(huán)發(fā)動機的優(yōu)勢。

二、什么是膨脹循環(huán)發(fā)動機，有什么優(yōu)勢

膨脹循環(huán)發(fā)動機，有三大優(yōu)勢，分別是性能高、結(jié)構簡單、可靠性高。

我記得很多年前，曾經(jīng)寫過一篇小文章，提到了創(chuàng)新，那時候我還不太了解火箭發(fā)動機，對汽車發(fā)動機了解也不多。當時我就想，汽車發(fā)動機排出廢氣的同時，還排出了很多廢熱，如果能把這些廢熱利用起來，沒準還可以用來烤面包。所有的熱機，之所以效率不高，都是因為有很多廢熱白白浪費掉了，多利用一些廢熱，就會減少一些損失。后來才知道，汽車的渦輪增壓技術，其實就是利用廢熱的一種方式，利用了更多的廢熱，也就提高了發(fā)動機性能。

膨脹循環(huán)發(fā)動機，恰恰是利用廢熱來驅(qū)動的發(fā)動機。大家應該都知道，氫氣在氧氣中燃燒能產(chǎn)生高達3000℃的高溫，任何材料都難以長時間承受如此高的溫度。為了減少高溫對火箭內(nèi)部材料的燒蝕，往往需要一定的冷卻技術，及時降低發(fā)動機的溫度。最簡單的辦法，就是用燃料來冷卻發(fā)動機。對于液氫燃料來說，通過管路冷卻完發(fā)動機以后，自己就變成了高溫的氫氣。體積明顯膨脹，然后讓這些熱氣去帶動液氫的渦輪泵，渦輪泵再把高壓氫氣注入發(fā)動機燃燒。所謂肥水不流外人田，渦輪泵無需外力做功，就可以高效工作，從而提高了火箭發(fā)動機的工作效率，提高了發(fā)動機性能。膨脹循環(huán)發(fā)動機，已經(jīng)可以實現(xiàn)460多秒的比沖，比其他各種類型的化學燃料火箭發(fā)動機比沖都高。

閉式膨脹循環(huán)

膨脹循環(huán)發(fā)動機相對于燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機和高壓補燃循環(huán)發(fā)動機來說，結(jié)構要簡單得多，但結(jié)構簡單并不代表研發(fā)也簡單。之所以說它結(jié)構簡單，是因為不需要額外設計推動渦輪泵的裝置。其它發(fā)動機要么需要安裝電動機驅(qū)動渦輪泵，要么需要額外的預燃燒室來產(chǎn)生熱氣驅(qū)動渦輪泵。增加裝置意味著增加了結(jié)構的復雜程度，膨脹循環(huán)發(fā)動機不需要增加那些結(jié)構，只需要科學設計燃料流動的管路就可以，通過燃料罐的壓力推動燃料流進管道，然后在流經(jīng)發(fā)動機的冷卻管路中被加熱膨脹，膨脹后的熱氣推動渦輪泵，把更多燃料從貯箱里面抽出來送進發(fā)動機。

聽起來挺簡單的，實際設計起來，絕非易事。怎樣設計管路和流量，既要高效冷卻發(fā)動機，又要有足夠強的力量帶動渦輪泵，還要盡量減少浪費，把所有燃料全部送進燃燒室燃燒。這些無不考驗著設計人員的設計能力。這種發(fā)動機很難實現(xiàn)大推力，因為是熱氫氣和燃燒室的壓強差推動了渦輪泵，壓強差越大，渦輪泵效率越高。而高壓氫氣推動完渦輪泵以后還要進入燃燒室，燃燒室里面本來就有很高的壓強，如果循環(huán)產(chǎn)生的高壓氣體壓強比燃燒室壓強低的話，根本無法推動渦輪泵，壓強差不夠大，渦輪泵的功率也不會太高。所以就算美國和俄羅斯的膨脹循環(huán)發(fā)動機，推力也不過10噸左右。中國這次實現(xiàn)25噸級的膨脹循環(huán)發(fā)動機，不得不說是一個重要突破。

當然，膨脹循環(huán)發(fā)動機還有另外一條路線可以提高推力，那就是開式膨脹循環(huán)。也就是推動渦輪泵旋轉(zhuǎn)的熱氫氣并不送進燃燒室燃燒，而是直接排掉。這樣對于渦輪泵來說，就可以獲得足夠大的氣體壓差，可以獲得足夠大的功率。從而可以突破閉式膨脹循環(huán)發(fā)動機的推力限制，理論上可以實現(xiàn)百噸級推力，但是由于會浪費一部分燃料，工作效率會有所下降，比沖也會偏低。日本主要采用這樣的技術路線，目前正在研發(fā)百噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機。

再簡單說說可靠性高的問題。由于膨脹循環(huán)發(fā)動機，相對于其它類型的發(fā)動機結(jié)構簡單，關鍵部件少，啟動過程相對比較平穩(wěn)，推動渦輪泵運轉(zhuǎn)的高壓氫氣溫度相對比較低，渦輪泵不必在高溫下工作，整個發(fā)動機運行起來可靠性也就會比較高。比如日本的膨脹循環(huán)發(fā)動機，在火箭發(fā)射故障，發(fā)動機預冷不充分、燃料箱箱壓不足的情況下依然可以正常點火平穩(wěn)工作，充分體現(xiàn)了這類發(fā)動機的高可靠性。

三、中國25噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機的不足

相對于美國的同類型發(fā)動機466秒比沖來說，中國最新25噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機的比沖只有450多秒，還有一定的提升空間。這主要是發(fā)動機噴管不夠大造成的，美國的發(fā)動機噴管面積比達到了1:285，中國的噴管面積比設計值只達到1:160，提升空間還比較大。那位朋友說了，不就是一個噴管嗎？設計個大的不就行了嘛？

絕對沒有想象的這么簡單，一個噴管，不可能做太大，要不然火箭上面根本裝不下，重量更是不能太重了，否則通過擴大噴管換來的性能提升，還趕不上噴管質(zhì)量增加帶來的性能損失。美國的RL-10B發(fā)動機，采用的是碳復合材料可折疊噴管，本身重量就小，通過折疊還可以減少占據(jù)的體積，發(fā)射到太空以后再伸展開獲得高性能。

中國長征五號使用的膨脹循環(huán)發(fā)動機，使用金屬噴管，面積比只有1:80，造成比沖性能只有442秒，性能大打折扣，跟印度的434秒比優(yōu)勢也不明顯。最新的25噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機采用碳陶復合材料，兩段組合方案，比沖達到450秒以上，性能比長征五號的發(fā)動機有了明顯的提升，但距離世界最高水平還有差距，未來還有改進空間，面積比有望達到1:260，比沖有望超過460秒。另外，新發(fā)動機的推力調(diào)節(jié)范圍相對于長征五號有了質(zhì)的突破，YF-75D不能調(diào)節(jié)推力，最新發(fā)動機能實現(xiàn)推力60%-100%。但是相對于美國的20%-100%，還有不小的差距。

好了，就說這么多吧。大家覺得新發(fā)動機到底算是一臺先進發(fā)動機還是一臺落后發(fā)動機呢？這款發(fā)動機有沒有機會替代YF-75D，用到長征五號和921火箭上面呢？請在評論區(qū)發(fā)表您的觀點。

我是東城觀星，感謝大家的訂閱與關注。咱們下期見。