長征7號發動機是不是需要散熱?

逆流的幻想


首先需要說明的是我國現役的長征五號運載火箭和長征七號運載火箭,一級火箭使用的發動機都是我國現役推力最大的YF100液體火箭發動機,只是數量多少不同罷了。比如長征5號運載火箭一級結構包括助推器在內使用了多達8臺YF100和2臺YF77液體火箭發動機,具體是芯一級使用的是兩臺比衝更高的YF77氫氧火箭發動機,捆綁的四臺助推器每臺裝備有兩臺推力更大的YF100液氧煤油火箭發動機,八臺發動機產生的1052噸推力能夠推動最大起飛質量不超過880噸的長征五號運載火箭發射升空。

而長征七號運載火箭在定位上要比長征五號低一級,其本身是藉助長征五號包括髮動機在內的新技術,裝在類似長征三號運載火箭箭體結構而來的一款中型運載火箭,其一級火箭包括助推器在內共使用了六臺YF100液氧煤油火箭發動機,具體來說是芯一級使用了兩臺具備雙擺的YF100,而四臺助推器各使用了一臺只具備單擺能力的YF100液氧煤油火箭發動機。所以從長征五號一級火箭和長征七號一級火箭使用液體火箭發動機來說,二者在助推器上使用的是同款液體火箭發動機,只是在數量和是否具備雙擺能力上有所差別罷了,也就根本不存在長征五號火箭發動機比長征七號火箭發動機更大的說法了。

當然具體來說,長征五號在芯一級使用了比衝更高/但是推力反而有所降低的YF77氫氧火箭發動機,主要是因為長征五號家族中的長征五號B是一款主要定位低軌道航天器發射的“一級半”火箭,也就是這款一級半的火箭只有芯一級和稱之為“半級”的助推器組成的推進力,在一級箭體上面就是航天器載荷。所以使用比衝更高的YF77氫氧火箭發動機作為芯級動力,雖然這樣做降低了長征五號一級箭體的總推力,但是卻增強了長征五號B型運載火箭低軌道的最大運載力,畢竟長征五號定位於中低軌道大型航天器發射,比如LEO軌道載人空間站建設只需要一級半結構的長征五號B來完成,而執行SSO軌道探月或者發射火星探測器則只需要額外增加了二級上面級的長征五號基礎型完成。

至於長征七號或者長征五號一級火箭發動機是否需要散熱的問題,核心還是想問為什麼在YF100和YF77液體火箭發動機噴管上沒有見到類似美國SSME氫氧火箭發動機,那種尾噴管外圍沒有一圈圈冷卻管道吧?

其實對於任何液體火箭發動機噴管而言,其雖然工作時間只有幾百秒,但是在工作期間從燃燒室噴出的高溫燃氣不光速度超過了至少幾倍音速,而且溫度更是高達3000攝氏度以上,所以不管液體火箭使用的是常溫燃料還是零下近三百度的液氫液氧或者任何形式的循壞方式,發動機的噴管是必須經過冷卻的。所以細看長征五號和長征七號助推器使用的YF100火箭發動機噴管的話,是可以明顯看出其表面並不是很光滑,而是像是有絲線纏繞在上面一樣,其實這些凸稜不平的細微溝槽就是纏繞在噴管上面的冷卻流道,而這項技術也被稱為主動冷卻技術。

主動冷卻技術主要分為兩種銑槽式和管束式兩種,銑槽式存在技術加工難度大等缺點沒有成為主流,所以現階段各國液體火箭發動機噴管主動冷卻方式還是以管束時為主,在製造噴管時都是將製造好纖細的冷卻金屬管一點一點螺旋纏繞在噴管外側,以此組成一個冷卻面積更大的冷卻系統,像央視《大國工匠》紀錄片中的高鳳林高工就是我國極少掌握這一尖端焊接技術的專家。

而長征七號助推器上搭載的YF100液氧煤油火箭發動機之所以沒有直接肉眼看到類似美國SSME那種很明顯的冷卻管道,首先是因為YF100使用的燃料煤油雖然凝固點低至-30度,但是相比其氧化劑液氧零下183度的低溫特性而言,單純只用溫度更低的液氧來冷卻噴管是最好的選擇,而且噴管的高溫還能提前將進入燃燒室的液氧溫度提升一些更有助於燃燒,再加之YF100液氧煤油火箭發動機海平面推力只有120噸,使用液氧冷卻噴管完全夠用了。而且這種直接焊接在一起的冷卻管道耐壓性能更高,所以也就不需要像SSME一樣的外側主管道了。

而美國航天飛機使用的SSME氫氧火箭發動機首先出現的時間很早,早在上世紀70年代初期就開始使用了,所以其在噴管冷卻技術上首先會存在兩個問題,一個是SSME氫氧火箭發動機比衝更高,對於冷卻系統的要求更高,再加之當時的噴管冷卻焊接技術並沒有當今這麼先進,所以SSME氫氧火箭發動機為了保證更高流量的冷卻效率,我們肉眼能看到的噴管冷卻管道其實是外側的主冷卻管道,用於實現噴管上部和下部不同冷卻要求的額外設計,不過這種外側冷卻系統的冷卻效率相比YF100那種一體化冷卻管道在冷卻效率上是有所差距的,所以洛克達因公司還額外為SSME氫氧發動機噴管增加了燒蝕噴管的技術路徑來解決噴管冷卻問題,當然同樣氫氧燃料的YF77氫氧火箭發動機噴管就能很明顯看到類似的主冷卻管道了,當然有些國家的火箭發動機會選擇將冷卻管道設計在噴管內側。


魑魅涅磐


因為長征5號的發動機比長征7號的發動機要大所以是不用散熱的,爾小熱氣到一定程度散不出去爾空中爆炸,


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