重型猎鹰级运载火箭用大推力液氧煤油高压补燃二元推进剂的百万千瓦级工程奇迹

大推力液氧煤油高压补燃二元推进剂体系，是当前全球航天运载领域综合性价比最高、工程成熟度最完善的主流动力组合，它的技术突破直接决定了一个国家是否拥有独立研制百吨级以上大推力液体火箭发动机的能力，是支撑载人登月、火星采样返回等超大型深空探测工程的核心动力基石。国内推进剂研发团队用了整整22年时间，完成了从基础组分分子纯化、高压富氧燃烧组织到全系统长寿命考核的全链条技术攻关，不仅完全掌握了120吨级液氧煤油高压补燃发动机的全套工程化技术，更进一步突破了500吨级大推力液氧煤油发动机的核心技术瓶颈，让我国成为全球第二个完全自主掌握高压补燃液氧煤油二元推进剂全套体系的国家，创造了属于中国航天的液体动力工程奇迹。

上世纪90年代之前，我国的液体运载火箭长期使用四氧化二氮/偏二甲肼有毒二元推进剂组合，这类推进剂不仅本身剧毒强致癌，地面操作的安全风险极高，而且推进剂的海平面理论比冲仅为2280N·s/kg，发动机的性能潜力已经完全走到了技术天花板，根本无法支撑我国新一代大运载能力火箭的发展需求。当时国外已经成功应用了高压补燃液氧煤油推进剂体系，发动机的海平面比冲超过2700N·s/kg，比传统有毒推进剂发动机的性能高出22%以上，但是国外对我国实施了极其严格的技术封锁，不仅完全禁止任何相关技术资料的对华输出，甚至连发动机的基本结构示意图都属于严格管控的保密内容。国内液体推进剂研发团队从零开始启动技术攻关，首先面临的第一个世界级难题就是煤油组分的高压燃烧稳定性控制问题。普通的民用航空煤油是上百种不同烃类组分的混合物，在高压补燃发动机的20MPa以上超高燃烧室压力环境下，很容易出现燃烧振荡不稳定的现象，剧烈的压力脉动会在几秒钟内直接摧毁整个燃烧室，根本无法实现稳定的长程工作。研发团队没有直接沿用国外的煤油组分标准，完全自主设计了新一代航天级煤油的分子组分分布，通过精准的石油馏分切割和分子重整工艺，将煤油中的芳烃组分含量严格控制在8%以下，同时将不同碳数的烃类组分的分布宽度控制在极窄的区间内，得到的新一代航天煤油的物理化学性质极其稳定，在30MPa的超高燃烧压力下也不会出现任何燃烧振荡现象，从源头上解决了高压补燃发动机的燃烧不稳定世界级难题。这款国产命名为“长征6号”的航天煤油，冰点温度低于-60℃，完全可以在极寒的发射场环境下正常使用，各项综合性能指标全面超越了国外同类型的RG-1航天煤油产品。

接下来横亘在研发团队面前的第二个核心技术难关，就是富氧燃气的高温强腐蚀难题。在高压补燃循环的预燃室中，液氧和煤油在富氧工况下发生不完全燃烧，生成的850℃高温富氧燃气中含有大量的游离氧组分，这种高温高速的富氧燃气几乎可以和地球上所有常见的金属材料发生剧烈的氧化燃烧反应，过去全球范围内没有任何一种金属材料可以在这种极端工况下长期稳定工作。研发团队经过整整7年的材料攻关，先后尝试了上百种不同的合金配方，最终创新性地开发出了添加微量稀土钇元素的高温镍基特种合金。这种新型合金中的稀土钇元素可以在合金表面的高温富氧环境下，自发形成一层厚度仅为几微米的致密氧化钇保护膜，这层保护膜的熔点超过2400℃，化学性质极其稳定，可以完全隔绝高温富氧燃气和基体金属的进一步接触，彻底解决了困扰全球航天界数十年的高温富氧燃气腐蚀难题。使用这种新型合金制造的预燃室和燃气涡轮部件，在850℃的高温富氧燃气环境下连续工作上万秒，部件表面几乎没有任何明显的氧化腐蚀痕迹，使用寿命是国外同类部件的2倍以上。

在发动机的整机热试车工程化阶段，研发团队又突破了一系列前所未有的技术挑战。500吨级液氧煤油高压补燃发动机的涡轮泵，转速达到了每分钟18000转，产生的功率超过70兆瓦，相当于一个中型发电厂的全部发电功率，涡轮泵的出口压力达到了50MPa，相当于深海5000米深处的海水压力。推进剂在进入燃烧室之前，需要在燃烧室的再生冷却通道中吸收上千度的燃烧热量，煤油的温度被预热到了600℃，接近煤油的热分解临界温度，很容易在冷却通道内部发生结焦堵塞的问题。研发团队通过在煤油推进剂中添加自主研发的微量抗结焦功能添加剂，在冷却通道的金属内壁表面形成一层极薄的保护性分子膜，完全阻止了煤油在高温金属表面的热分解结焦反应，发动机的再生冷却通道连续工作数千秒也不会出现任何结焦堵塞，彻底解决了大推力液氧煤油发动机的长时间工作热防护难题。在500吨级发动机的首次全工况长程热试车中，发动机连续稳定工作了200秒，所有参数全程完美，发动机的实际海平面推力达到了501吨，综合推重比超过72，各项性能指标全面超越了国外同类型的RD-171发动机，达到了世界领先水平。

目前这款500吨级大推力液氧煤油高压补燃二元推进剂发动机，已经完成了全部的工程化考核试验，即将正式应用于我国长征九号重型运载火箭，火箭的近地轨道运载能力将达到50吨以上，完全可以满足我国载人登月、火星采样返回等超大型深空探测工程的核心动力需求。整个液氧煤油二元推进剂体系的技术突破，不仅彻底改变了我国航天运载动力的发展格局，还衍生出了系列化的液氧甲烷高压补燃推进剂技术，为我国可重复使用运载火箭的大规模商业化应用奠定了坚实的基础，推动我国液体火箭动力的整体技术水平稳稳站在了世界第一梯队。