液氢液氧火箭发动机是指采用液态氢作为燃料、液态氧作为氧化剂的发动机。液氢液氧发动机是目前已知化学燃料中比冲最高的燃料组合,因此大推力的液氢液氧发动机是目前世界液体火箭发动机技术的发展趋势之一,也是航天强国的标志之一。
比冲的定义为:单位重量推进剂产生的冲量,或单位质量的推进剂产生的推力。比冲量是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数。其大小与发动机的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。发动机比冲越高,相同条件下推进剂能够产生的速度增量也越大,发动机效率也就越高。
比冲是不同燃料组合的比冲详见下图.
从上图中各种不同燃料组合的理论比冲值,我们可以看到液氢液氧组合的比冲最大,也是唯一个比冲大于400的组合,达到了457,远超排名第二的液氧甲烷发动机的365。
因此液氢液氧发动机也成为各航天大国的主力大运力火箭的发动机主流,如欧空局的阿里亚娜5、美国的德尔塔4/德尔塔4重型和日本的H2A/H2B等。
大推力液氢液氧发动机同样也是多国下一代大推力火箭的标配之一,如美国的太空发射系统SLS、日本的H3、欧空局的阿里亚娜6等。
液氢发动机的缺点也很明显:成本高。液氢的制备、 储存和运输技术难度大、要求高等导致液氢发动机成本高昂。因此许多民营航天公司如马斯克的太空探索技术(SpaceX)、贝索斯的蓝色起源(Blue Origin)以及我国的蓝箭集团都致力于研发成本更低复用性更好的液氧甲烷发动机,以期望最大程度降低发射成本。
中国和日本最强的液氢液氧火箭发动机中国新一代的YF-77液氢液氧火箭发动机: 新一代大运载火箭“长征五号”芯级的大推力氢氧发动机。采用双涡轮分别驱动液氢泵和液氧泵工作方式,具有混合比和推力调节功能,以提高火箭运载能力。YF-77和YF-100液氧煤油发动机成为新一代火箭的主力发动机。YF-77发动机于2001年立项研制,历经十多年艰苦攻关,于2016年11月首飞。
日本的最新LE-7A液氢液氧火箭发动机:LE-7A是日本为H2A及H2B火箭系列制造的液态氢氧发动机。是第一种第一级主引擎。由三菱重工主导研发。
从上表的对比我们可以看出日本的LE-7A,无认是推力、比冲还是室压、首飞时间、成功率等各方面都全面领先。这主要是日本的液氢液氧火箭发动机的起步较早,研发投入多等因素造成。LE-7A发动机在2001实现首飞,到目前为止发射48次;我国的YF-77在2001年开始研制,2016年实现首飞,目前只已经完成了2次发射。
日本下一代大推力液氢液氧发动机,LE-9将达到150吨级,将作为H3火箭的芯级发动机。LE-9已经于2017年9月首次静态点火测试,2018年6月和2019年初进行了一系列的点火测试,将于2020年进行首次飞行。
综上,我们可以看到,我国的液氢液氧火箭发动机和邻居日本相比还是有一定技术差距。而且日本的下一代推力更大的LE-9,推力将达到150吨,并已经完成多次点火测试。另外在固体发动机方面,日本也是处于领先地位。
我国则在偏二甲肼-四氧化二氮发动机、液氧煤油发动机方面领先日本,因此也算是各有所长。
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参考资料:JAXA、三菱重工官网相关介绍
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