真不如60年前的土星五号发动机?中国最大推力液发成功:推力500吨_

航天六院11月5日发布的消息，航天科技集团六院自主研制的中国最大推力液体火箭发动机YF-130首次整机试车圆满成功，该型发动机设计推力500吨级，采用全球最大的补燃循环发动机推力室，标志着该型发动机研制取得重大突破！

但也有网友表示，YF-130的推力比登月火箭土星五号F-1发动机的680吨都小，还不如60年前美国人的技术，那么事情真的是这样吗？

YF-130发动机：长征9号的动力

先来说说这台发动机到底是用在哪的，只有一个YF-130的代号，大家都看不明白！先给出答案，这是我国未来巨型登月火箭长征9号（CZ-9）的芯一级和助推器的发动机，虽然到目前为止CZ-9的具体构型还没有确定，但如此巨型发动机完成，必然将发挥出它澎湃的性能！

CZ-9：到底是干啥用的？

CZ-9是中国航天科技集团计划中的一款重型运载火箭，其近地轨道运载能力为50~200吨，奔月转移轨道运载能力为50吨，奔火转移轨道运载能力为12吨至44吨，这款火箭的芯级直径为10米左右，高度达到了110米，与阿波罗登月的土星五号差不多级别。

长征9号的用途就是载人登月与载人登陆火星以及深空探测器等需要大推力的运载火箭任务，尽管登月火箭目前已经被CZ-5DY登月专用火箭所顶替，但其未来的重要意义仍然非常重大，因为CZ-5DY的登月任务需要发射两次，而CZ-9巨型火箭只要一次即可。

CZ-9：目前的构型

CZ-9是一枚三级火箭+助推器的模式，其基本的构型大致如下：

助推器：数量4个，每个助推器为2台高压补燃液氧煤油发动机（YF-130）
芯一级火箭：4台YF-130；
二级火箭：2台220吨级高压补燃氢氧发动机（YF-90）；
三级火箭：4台25吨级膨胀循环氢氧发动机（YF-79）；

到目前为止，YF-130试车已经成功，当然这并不代表YF-130开发完成，只是到目前为止还比较顺利，而YF-90方案论证已经通过，但尚未正式开始。YF-79则在9月初已经成功试车。CZ-9的目标是在2028年前，从目前进度来看还是相当不错的。

笔者必须要提醒下，CZ-9巨型火箭的构型仍为确定，上述构型只是此前的计划而已，未来改动的可能性仍然存在。

CZ-9：为何登月火箭载荷要50吨？

登月火箭的基本要求为地月转移轨道载荷为50吨，这个载荷并非只是参考阿波罗登月计划，而是可以计算出来的，一般登月“全套”需要有如下几个组成部分：

1、指令舱（指挥整个任务计划的核心舱）；
2、服务舱（氧气、电池等物资）；
3、登月飞船（登陆月面与返回月球轨道）
4、燃料和人员以及后勤物资；

这些组合到一起，无论用哪种结构，总质量就往40吨以上去了，因此不管是哪种方式登陆，必须将40~50吨装备送到环月轨道，一次可以，两次也行，CZ-5DY型只能分两次发射，而CZ-9则只需一次发射，优势则是CZ-5DY的门槛比较低，新研制的设备相对比较少，而CZ-9全是未经考验的新发动机。

接下来我们说说这台发动机的原理

全球最大的高压补燃循环：到底是什么意思？

高压补燃循环是什么意思？估计很多朋友有点懵，高压补燃循环其实就是分级燃烧循环，熟悉的朋友很快就会想起来这到底是什么结构，但不了解火箭循环的朋友可能还是一头雾水，下文简单介绍下火箭发动机的几种典型循环结构：

1、早期火箭的挤压循环；
2、燃气发生器循环（开式循环）；
3、分级燃烧循环（高压补燃循环）；
4、全流量分级燃烧循环；
5、低温燃料膨胀循环；

火箭发动机的工作循环要是往细了分远不止以上几个，不过本文篇幅有限，只能找几个典型的工作方式说明下原理；火箭发动机的循环就是将氧化剂和燃料泵入燃烧室的过程，我们知道这个燃烧室内的氧化剂和燃料一起燃烧膨胀时压力是很高的，因此要这个“泵”就需要更高的压力，压力越高，燃烧室压力也可以越高，发动机的燃料利用率也就越高（也就是比冲高），推力也可能越大（比冲和推力不是正比例关系）。

挤压循环：最古老，但现在还在用

挤压循环非常简单，分别在燃料和氧化剂储箱设置一个气囊结构，增加压力压迫燃料注入燃烧室，这种结构简单、可靠性极高，缺点是储箱承受压力，并且还有一个问题，需要携带额外且不能参与燃烧的高压气体与气罐。

高压气体的压力决定了燃烧室的压力，所以决定了这种类型发动机比冲不会高，推力也不大，但它可以多次启动而且可靠性很高，一般要求多次启动或者小推力发动机基本都是这种类型，甚至在Delta 2的二级发动机 AJ-10-118K也是，只是推力与比冲实在很难做大。

燃气发生器循环：其实包含了分级燃烧和全流量分级燃烧循环；

在大部分介绍中，燃气发生器循环和分级燃烧循环以及全流量分级燃烧循环都是分开介绍的，但事实上这几个只是燃气涡轮与泵的的位置以及排出燃气处理的方式不一样，当然这也让这些发动机的性能上差异很大：

这个循环最关键的部分呢就是燃气涡轮泵，其原理是利用燃料和氧化剂先到一个小型燃气涡轮泵中燃烧，推动涡轮泵入燃料和氧化剂进入燃烧室工作，这些燃烧过的氧化剂和燃料废气就排出泵外了，这叫做燃气发生器的开式循环：

但有一个问题产生了，为了尽量提高涡轮泵的转速增加燃烧室的压力，这个小型燃气涡轮的功率要求很高，也就是燃烧很剧烈，但这样一来这燃气涡轮工作温度就会很高，很快就会崩溃，或者设计要求很高，怎么办？解决办法也很暴力，让它工作在富燃或者富氧状态，用大量燃料的不完全燃烧或者注入过多的液氧以达到降低燃气涡轮的工作温度并同时提高功率与转速的目的。

但这样一来，富燃或者富氧的燃气就白白地排走了，浪费了大量燃料或者氧化剂，因此在闭式循环中就将这部分燃气重新注入了燃烧室，这就是分级燃烧循环（高压补燃：闭式循环），燃料利用率增加，火箭比冲大幅上升。当然开式循环也不是一无是处，因为燃气涡轮的废气排出后工作状态改善，可以提供更高的压力，并且排出的废气还可以辅助姿态控制。

分级燃烧循环中的燃气涡轮也有两种模式，一种是富燃，一种是富氧，从字面理解，富燃就是燃料多过氧化剂，富氧就是氧化剂多过燃料，两种都能改善燃气涡轮的工作条件，性能都能得到很大的提升，比如著名的俄罗斯RD-180为代表的富氧单涡轮分级燃烧循环，美国的RS-25（航天飞机主发动机）为代表的富燃双涡轮分级燃烧循环，上文中我国的YF-130也属于分级燃烧循环中的一种。

全流量分级燃烧循环：在分级燃烧循环中，还有单涡轮和双涡轮结构，富燃的就是燃料全经过燃气涡轮，富氧的就是氧化剂全经过燃气涡轮，两者工作温度不一样，压力也要互相妥协，在全流量分级燃烧循环中，氧化剂和燃料都经过燃气涡轮，一个涡轮泵是富氧燃烧，另一个涡轮泵则是富燃燃烧，两者的“废气”再送入燃烧室，所以叫做全流量分级燃烧循环。

液氢与甲烷的全流量分级燃烧循环

这种状态下涡轮泵可以工作在更低的温度，并且压力不再需要妥协而可以让燃烧室压力更高，这也会让发动机的推力和比冲进一步得到改善，一个是方便回收多次使用，另一个也提高了发动机的性能，不过这个难度相对比分级燃烧循环（高压补燃）更高，目前只有SpaceX的Raptor发动机实现了全流量分级燃烧循环结构。

低温燃料的膨胀循环，和燃气发生器循环一样，也分三个级别

膨胀循环的过程和燃气发生器循环有些类似，主要是利用低温燃料在常温或者加温后膨胀推动低温涡轮再带动涡轮机泵入低温的氧化剂和低温燃料，这种模式用在氢氧燃料上尤其效果好，因为液氧和液氢在尾喷管加热后进入涡轮泵膨胀，在泵入燃料的过程，一是降低了尾喷管的高温，二则是利用了这个高温让低温燃料膨胀推动涡轮。

开式膨胀循环

因此这种发动机的比冲可以做到比较高，不过和燃气发生器循环一样也存在开式循环、闭式循环和闭式双体膨胀循环，甚至还有闭式燃气发生器增压膨胀循环，这些结构比较复杂，并且和本文的主题YF-130的循环不相关，就贴几个图，有兴趣的朋友可以研究下，笔者就不啰嗦了。

闭式膨胀循环

YF-130：真还没到美国1960年代水平？

上文已经说明了YF-130属于分级燃烧循环（高压补燃），难度在燃气发生器循环中已经是仅次于全流量分级燃烧循环，与煤油机中的著名发动机RD-180是类似的结构：

YF-130的结构示意图

与经典的不能再经典的RD-180相比，性能上还略有提升，这里直接引用微博大佬@PhilLeafSpace的对比数据给大家参考：

但仍然有朋友质疑，这个YF-130的推力比美国在1960年代制造的登月火箭土星五号的一级火箭发动机F-1要低很多，是不是YF-130还达不到美国1960年代的水准？

F-1火箭发动机：暴力型无与伦比

这是Rocketdyne为阿波罗计划的登月巨型火箭土星五号开发的火箭发动机，单台推力为680吨，每枚火箭的一级会用5台F-1发动机，一级火箭的总推力高达3400吨，一直到现在为止，它仍然是最强大的单燃烧室液体推进剂火箭发动机。

当然更被人传颂的是在怪物级F-1火箭发动机加持下，美国的阿波罗登月计划次次成功（阿波罗13失败也非F-1的问题），到现在为止，坊间有人提起F-1发动机仍然赞不绝口，所以当中国造出了未来登月火箭CZ-9的一级火箭主发动机YF-130时有人就会不自然的去和F-1发动机相比，而事实上YF-130的推力为500吨级，而F-1的推力高达680吨，两者完全不在同一个级别上，这是真的？

首先F-1属于燃气发生器循环，上文已经介绍，燃气发生器也称开式循环，会将预燃后的燃气排出损失燃料，造成比冲大幅下降，F-1的发动机比冲只有263秒，而YF-130的则是分级燃烧循环，燃料利用率很高，海平面比冲为309秒，这个差异几乎就已经是数量级差异了。

另一个则是燃烧室压力，这是决定比冲和推力最关键的因素，F-1发动机的燃烧室室压只有8MPa，而YF-130的室压为22MPa，几乎是前者的3倍，这两个参数一比，大家就明白F-1的推力是哪里来的了，这台发动机就是暴力增加燃料流量，煤油消耗速度达1.8吨/秒，每台发动机在一分钟内就能烧掉100多吨煤油，是不是太恐怖了？