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关于长征II号运载火箭燃料的问题

发现一个情况,天朝液体火箭无论氧化剂还是燃料都是与西方设计不太相同的。西方还有俄罗斯当代运载火箭氧化剂多用液氧,燃料要么是液氢或者煤油。长征II系列则一律用四氧化二氮+偏二甲肼作为氧化剂和燃料,这些毒害程度高得多,危险因素很大,好处在于可以保持常温状态不需要低温处理。但运载火箭又不是洲际导弹,常温不存在优势啊,而且下一代长征型号也转为液氧+液氢/煤油了,为啥又打算更换呢。

本帖最后由 monster 于 2014-5-15 15:02 编辑

偏二甲肼有毒,四氧化二氮又有腐蚀性,都不环保,价格还挺贵,早该换了。

俄罗斯的质子现在还在用这种燃料和氧化剂,以后不也要被淘汰么。

美国从06年大力神最后一次发射以后就基本不用了。

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上周五质子-M火箭发射失败,据称是第三级发动机实效。

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话说这事应该问@啥也薄是啊~
要不我转个内容?
这里解释一下两个关键词:液氧煤油,补燃循环。
汽车、飞机、轮船的发动机,工作不仅要有燃料,还离不开氧气的助燃。而运载火箭要克服地心引力飞向太空,升空加速比飞机还要快得多,燃料作功的效率也必须非常高,还得在超高空乃至外太空中工作,靠大气中的氧气是远远不够的。因此火箭在燃料之外,还要自带氧化剂,火箭大部分的体积、重量都是由这两样占着。
液氧煤油发动机是以液态氧为氧化剂,煤油为燃烧剂(燃料)的火箭发动机。采用这一方式的YF-100与以往的长征火箭发动机相比,效能提高了15—20%,可以大大减少燃料携带,减少火箭的重量和体积;煤油价格较低,每次发射可节省1000多万元;煤油与液氧都没有毒,燃烧也只生成水和二氧化碳,不像以往的火箭发动机会产生剧毒污染。
补燃循环则是发动机闭式循环中的一种,原理是燃气经涡轮作功后还会进入燃烧室,进行二次燃烧(补燃),从而更充分地释放能量。补燃循环比另一种循环方式——发生器循环的效率更高,但结构较为复杂,设计难度较大。
此外媒体报道称YF-100发动机可以“重复使用”,其实目前我国尚无火箭发射后回收发动机的计划,主要是指在台架试验阶段可以进行多次试车,而且试车后仍可用于发射。不过仅此一项,仍足以大幅减少研制成本,不必每次测试都报废一台昂贵的发动机。

剧毒推进剂 有望成历史

迄今为止,长征2、3、4系列运载火箭的主发动机,均使用四氧化二氮-偏二甲肼作为推进剂。与低温的液氧-煤油、液氧-液氢等其他液体推进剂相比,这一组合可在常温下保存和使用,更加适于军事用途。而长征系列火箭正是在东风-5液体燃料战略导弹的基础上研发而成,也保留了这一较为成熟的推进方式。
然而,四氧化二氮、偏二甲肼和两者的燃烧产物都有很强毒性,储存与加注时需要非常小心,落地的火箭残骸也会污染环境。美国已从1970年起禁止在本土生产偏二甲肼,欧洲“阿里安”火箭使用的偏二甲肼也一直从苏联/俄罗斯购买,并且在远离本土的法属圭亚那库鲁航天中心发射。从世界范围看,四氧化二氮-偏二甲肼推进剂属于将逐渐被淘汰的技术。
此外,四氧化二氮-偏二甲肼推进剂的效率并不特别出众,而且价格高昂,已成为限制中国火箭提升性能、降低发射成本的瓶颈。

苏俄执牛耳 美国奋起追

在液氧煤油发动机领域,苏联/俄罗斯长期处于世界领先地位。上世纪50年代,苏联率先研制成功RD-107/108液氧煤油发动机,以其为动力的“联盟”运载火箭将首位航天员加加林送上太空。随后苏联又研制了推力150吨级的NK-33液氧煤油发动机,计划用于载人登月的N-1火箭。但由于发动机推力低,N-1火箭的第一级就要采用30台发动机,过于复杂降低了可靠性,导致4次试验全部失败,登月计划告吹。
不过苏联人并未因此止步,在上世纪七、八十年代研制成功了推力740吨级的RD-170,作为“能源号”火箭的助推器,遗憾的是这一雄心勃勃的项目又因苏联解体而终止。此后,俄罗斯又推出了380吨级的RD-180和200吨级的RD-191,并向美国、欧洲、日本、印度、韩国等出口液氧煤油发动机产品和技术。
另一个航天巨人美国在这方面更为坎坷。1960年代,美国人研制了推力高达680吨的F-1液氧煤油发动机,用于迄今最大的运载火箭“土星5号”,实现了人类首次登月。不过该发动机虽然强大、可靠,却未能解决高压补燃的技术难题,只好使用较为“简单粗暴”、效率不高的燃气发生器循环技术。但阿波罗计划结束后,由于当时洲际导弹使用的固体发动机出现厂商产能过剩,美国航天界开始转向固体发动机。
冷战结束后,美国一度从老对手俄罗斯那里购买了101台RD-180,使自家的“宇宙神”5火箭降低了1/4发射成本。随后美国人也开始奋起直追,由SpaceX公司研制、今年6月成功发射“龙”号货运飞船的“猎鹰”9火箭,使用的就是在F-1核心技术基础上研发的“默林”液氧煤油发动机,但仍未采用补燃循环技术。(也间接证明某些登月怀疑论者声称的“土星5号火箭图纸早已神秘销毁”是多么不靠谱)


氢氧发动机 中国仍短板

YF-100液氧煤油发动机研制成功后,新一代运载火箭长征五号若要如期问世,还要等待另一个动力之源——用于火箭芯级的YF-77氢氧发动机尚未完成最后测试。
氢氧火箭发动机以液氢为燃烧剂、液氧为氧化剂,是各种推进剂组合中工作效率(比冲)最高的一种,就连液氧-煤油也难望其项背。但以目前的人类科技水平而言,它还称不上是火箭的理想推进剂:液氢价格非常昂贵,储存温度必须保持在-252.7℃至-259.1℃的极低温,而且储存体积巨大。
因此,氢氧发动机在早期航天中主要作为推力较小的火箭上面级(第二、第三级)使用。随着技术的进步,新一代运载火箭也普遍在第一级中使用大推力氢氧发动机,如美国“德尔塔”4、日本H-2、欧洲“阿里安”5等。
我国从1970年开始研制氢氧发动机,首款产品YF-73用于长征三号运载火箭的第三级,额定真空推力4.5吨,1984年4月首次将“东方红二号”卫星送入地球同步轨道。目前长征三号系列火箭使用的YF-75则是我国第一种、也是迄今唯一一种专门设计并已投入使用的氢氧发动机。
根据公开资料,为长征五号研制的氢氧发动机YF-77于2001年正式立项,设计指标为地面推力52吨,真空推力70吨,与世界先进水平相比推力偏小,比冲也较低。在长征五号的构型中,火箭起飞时的大部分推力仍要仰仗YF-100液氧煤油发动机。目前YF-77已完成了500秒单次试车,按现有进度应能保证2014年的长征五号首飞。另外YF-75的新改型YF-75D,也将用于长征五号的上面级。


匹配“大火箭” 托举空间站

将采用YF-100与YF-77作为“心脏”的长征五号火箭,是中国自主研发的新一代运载火箭,2006年正式立项获得编号。它使用模块化、系列化设计,力图提高可靠性,降低发射成本,并能满足多样化的航天发射需求。
与以往的长征系列火箭相比,长征五号的芯级直径首次增至5米,使用2台真空推力70吨的YF-77氢氧发动机;外部捆绑总计4个3.35米或2.25米直径的助推模块,其中3.35米模块使用2台真空推力120吨的YF-100液氧煤油发动机,2.25米模块使用1台。
如使用推力最大的组合方式,长征五号火箭将装备4个3.35米直径助推模块,8台YF-100和2台YF-77的总推力可达1100吨,能把25吨载荷送入近地轨道(LEO),而目前发射“神舟”和“天宫”的长征二号F火箭只有7.8吨;能把14吨的有效载荷送入36000公里高的地球同步轨道(GTO),是目前长征三号乙火箭的近3倍。尤其是至关重要的近地轨道运力,将超过同级的欧空局阿里安5(Ariane V)、日本H-2A/B和美国的宇宙神-5(Atlas V)。
按中国载人航天“三步走”计划,首个国产空间站将于2020年左右建成,其核心舱质量将达20吨级别,远超现有长征二号F火箭的近地轨道运载能力;嫦娥探月工程在完成嫦娥一号二号的绕月、三号四号的落月后,采样返回的三期工程也需要更大运力的火箭;更远期对火星、木星、近地小行星和小行星带的深空探测,也需要更大运力的运载火箭。长征五号若能如期问世,将有效扭转目前国产大推力火箭的空白局面。
今后五年内,YF-100发动机还将配给“长征”家族的另外两位新兵:其中长征六号火箭用于快速发射近地小型载荷,具备700千米高度太阳同步轨道不小于1吨的运载能力,第一级为1台YF-100;长征七号火箭则将接手载人飞船和货运飞船的发射任务,具备近地轨道13.5吨、700千米太阳同步轨道5.5吨的运载能力,第一级为2台YF-100芯级和4台YF-100助推器。


要圆登月梦 还需更强音

屡创辉煌的中国航天,其实也患有中国工业最大的痛——发动机“心脏病”,只是没有航空、汽车领域那么明显。与国际领先水平相比,120吨级的YF-100和70吨级的YF-77,仍显得不够“给力”,推力偏小。单台发动机推力小,火箭要上天就需要数量更多的发动机,从而使火箭结构更为复杂,增加成本并影响可靠性。
当然,中国航天人在工业与科研基础相对薄弱、缺乏国际先进技术参考的条件下,能有今天的成就已属不易,而且其目标也远不止于长征五号和空间站。在美国放弃重返月球的“星座计划”之后,中国在可预期的未来将成为唯一一个开展载人登月计划的国家,这就需要更强大的运载火箭——今年已正式公布的长征九号。
外界分析,这种重型火箭的推力将达3000吨以上,足以与美国阿波罗计划的“土星5号”媲美,将可以承担向月球发射返回式载人飞船、以及向太阳系外发射探测器的任务。对于如此巨大的推力需求,YF-100与YF-77或许难负重任,而需要在它们基础上研发新一代的液氧煤油发动机与氢氧发动机。以它们为心脏的新型中国火箭,有望现人类在阿波罗计划结束半个世纪后首次重返月球的壮举。
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最后稍微说下液态氢,液态氢储存容器输送管道都需要特别材料来制造,而且一旦因天气原因无法发射那么只能用液态氦来做卸载剂。因为氦是已知在气态和液态下化学稳定性最好的物质。总而言之,在碳材料还未大行其道的时候,氢作为一种燃料应该还是一种适合“未来”需求的玩意。

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本帖最后由 .过客. 于 2014-5-30 15:26 编辑

火箭发动机分固体和液体。固体火箭发动机是美国领先。但是,大推力高效率的火箭是液体火箭,俄罗斯领先世界。过去的液体火箭主要分两种:
一、液氧\偏二甲肼火箭发动机
二、液氧\煤油火箭发动机

偏二甲肼没前途。美国70年代就禁止在本土生产偏二甲肼。前苏联也曾下令禁止偏二甲肼,后来俄罗斯因经济困难等原因才恢复向法国等国出口偏二甲肼。偏二甲肼迟早会被国际禁止,中国对此非常清楚。

目前液体火箭中最成熟、最先进的就是液氧\煤油火箭发动机了,苏联80年代的产品就达到世界最高水平。俄罗斯肯定有提高。目前中国研制的长征5液氧\煤油火箭发动机水平很先进。美国50年代也有过煤油火箭发动机,但属于落后煤油技术,已经淘汰了。后来,一直购买俄罗斯煤油火箭发动机。

当然,今后还会有下一代液体火箭,例如:液氧\煤油\液氢三组元火箭发动机,这个推力和效率比液氧\煤油火箭发动机高,一级火箭就能入轨。各国已经在研制中。届时谁领先就不清楚了。


中国新型火箭采用液氧\煤油火箭发动机,主要就是因为煤油发动机有落后与先进之分。世界上最先进的液氧\煤油火箭发动机,过去只有俄罗斯能制造,而我们中国没有制造先进的液氧煤油火箭发动机的能力。
中国是从1986年的863计划开始研制先进液氧煤油火箭发动机,经过15年研制,到2000年才正式立项研制,又经过12年研制,到2012年才初步研制成功,这2年一直在调试,估计早在今年下半年晚则明年初,将首次用该发动机发射火箭,即传说已久的大名鼎鼎长征5号运载火箭。
过去我们的运载火箭是从战略导弹演变来的,一直用四氧化二氮\偏二甲肼,有污染大、毒性大、价格高、性能低,可靠性差、危险大、操作复杂等缺点,虽然失败的极端少,但参试人员都有恐惧感,常有死里逃生、后怕的感觉。尽管如此,后果也很严重,因为偏二甲肼毒性大,泄露也损害人体,特伤肝脏,60%的参式人员都有不同程度的肝病,这导致国际社会倾向禁止偏二甲肼
今后如果能成功发射长征5号,中国火箭进入先进火箭行列,具有无污染、无毒、低成本、高性能、高可靠、安全性强、操纵简单等优点。例如:偏二甲肼的价格是煤油的30倍,液氢的价格是煤油的100倍。发射一颗20吨的低轨道有效荷载,如果使用液氧\也氢、四氧化二氮\偏二甲肼组成的二级半方案,按1996年的价格算,推进剂需3000万元,而使用纯粹的液氧\煤油方案,推进剂只需要100万元人民币。当然,这只是一种假设,因为1996年我们的液氧煤油火箭发动机还没立项研制呢。
以上涉及的专业内容来自从1995当选院士的中国著名火箭发动机权威张贵田1996年公开发表的学术报告。

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本帖最后由 幻客 于 2014-5-30 22:00 编辑

如果说RP-1煤油性能良好,为何美国空军筹划开发的新一代液体火箭引擎选择甲烷?SpaceX公司猎鹰9号用的默林1D发动机是煤油吧,正在开发的猛禽发动机也是用甲烷作为燃料而非煤油。

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本帖最后由 .过客. 于 2014-5-31 15:31 编辑

说明新能源液体火箭的探索很多,不仅有我楼上提到的新一代液氧\煤油\液氢三组元火箭,还有甲烷火箭。例如:甲烷火箭发动机具有成本低、性能好、资源丰富、重复使用、维护方便等优点,是极具发展潜力的未来航天动力。不仅美国研制,欧洲、俄罗斯、日本、韩国都在研制,中国也研制60吨级的甲烷火箭。再如:液氢火箭,未来最有前途,只是目前太贵。美国领先,其他国家都在研制,中国也早就研制成功液氢火箭,不过一般是做上面级。当然,还有其他这里没提到的新能源火箭探索。
这和说液氧\煤油火箭发动机是目前液体火箭中最成熟、最先进的并不矛盾,这是指目前这一代的主流火箭,主要是与上一代的偏二甲肼火箭比较的。俄罗斯老大地位是从市场比例和技术成熟度看,并不是说美国不能研制,也许将来美国的煤油火箭能取代俄罗斯,但是,目前还不行。中国也是这个性质的问题,中国煤油火箭虽然几十年磨一剑,号称如何如何,可至今还没发射呢,暂时还只能说空白。
将来是何种能源的火箭前途更大?现在谁也说不定。例如,煤油虽然推力大、价格低,但也有资源限制,中国虽然好几个油田可产煤油,但火箭发动机用的最好的煤油资源是克拉玛依油田。而甲烷在地球和其他星球资源量都很巨大,价格比煤油还便宜。据专家综合比较,甲烷火箭的性能与煤油火箭的性能相当,很有前途。至于液氢,氢在宇宙中资源最多,性能也高,液氢火箭的前途也应该很远大。

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如果说RP-1煤油性能良好,为何美国空军筹划开发的新一代液体火箭引擎选择甲烷?SpaceX公司猎鹰9号用的默林1 ...
幻客 发表于 2014-5-30 21:54



    猛禽发动机用甲烷作燃料?是不是发动机做地面测试时用甲烷呢~
关于甲烷作为火箭动力燃料有哪些优势国内处于一个啥地位可以参考这篇;http://www.guancha.cn/Science/2013_10_24_180858.shtml

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如果说RP-1煤油性能良好,为何美国空军筹划开发的新一代液体火箭引擎选择甲烷?SpaceX公司猎鹰9号用的默林1 ...
幻客 发表于 2014-5-30 21:54



    龙Ⅱ飞船出来了 准备用新甲烷燃料发动机?

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龙Ⅱ飞船出来了 准备用新甲烷燃料发动机?
装甲迈尔 发表于 2014-5-31 21:56


不是。SpaceX的新甲烷燃料发动机名字叫“猛禽”,是未来重型运载火箭MCT的主发动机,推力相当大,不可能装飞船上。

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如果说RP-1煤油性能良好,为何美国空军筹划开发的新一代液体火箭引擎选择甲烷?SpaceX公司猎鹰9号用的默林1 ...
幻客 发表于 2014-5-30 21:54



可能是因为美国比较喜欢重复使用吧。煤油在富燃燃烧时容易产生积碳。甲烷这方面好多了,重复使用时无需清洗。

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猛禽发动机用甲烷作燃料?是不是发动机做地面测试时用甲烷呢~
关于甲烷作为火箭动力燃料有哪些优 ...
@冰红茶 发表于 2014-5-31 19:21


SpaceX最开始打算在猛禽上用液氢,现在已经改成甲烷了,而且是最先进的全流量分级燃烧循环。

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可能是因为美国比较喜欢重复使用吧。煤油在富燃燃烧时容易产生积碳。甲烷这方面好多了,重复使用时无 ...
monster 发表于 2014-6-3 16:42



    一二级上面还是煤油发动机,毕竟 液化天然气(LNG)体积能量密度约为汽油的72% 但是 甲烷有很大的优势在于热值低于液氢,这样的话燃烧起来不会太猛易于飞行控制,同时目前的材质也能轻松应对在太空中管路和密封件的要求。

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一二级上面还是煤油发动机,毕竟 液化天然气(LNG)体积能量密度约为汽油的72% 但是 甲烷有很大的 ...
@冰红茶 发表于 2014-6-3 18:02



可是猛禽就是第一级用的主发动机,照样用甲烷,而且是全流量补燃。煤油就不容易实现全流量补燃,富氧补燃是现成的,富燃补燃可就麻烦了。
美国在氢氧发动机方面领先,这方面的技术转移到甲烷发动机可能比较方便,都是低温燃料。

另外,在煤油发动机领域俄罗斯未必能有多大技术优势。美国tr-107、rs-84性能也不差,而且能重复使用100次。假如spacex的火箭真能实现重复使用的话,那波音、洛马也只有发展可复用火箭才能竞争,那么新发动机也得能多次复用才行。

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可是猛禽就是第一级用的主发动机,照样用甲烷,而且是全流量补燃。煤油就不容易实现全流量补燃,富氧 ...
monster 发表于 2014-6-4 18:31



    建议你看下我在四楼的转帖,所谓的富燃就是补燃技术~~
要是俄罗斯在这块不是领先全球的话美国人也不会花钱买RD-180了。

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本帖最后由 monster 于 2014-6-5 12:51 编辑
建议你看下我在四楼的转帖,所谓的富燃就是补燃技术~~
要是俄罗斯在这块不是领先全球的话美国人 ...
@冰红茶 发表于 2014-6-5 00:22



谁说“所谓的富燃就是补燃技术”?根本两码事嘛,让你给混一块了。
富燃只是预燃室中的一种燃烧状态,燃烧也同样可以是在富氧状态下。补燃就是分级燃烧(SC),指的是一种循环方式。
补燃循环可以设计成富燃料,也可以设计成富氧化剂的。实际上,现有的煤油发动机中,俄国rd170系列、美国tr107、rs84全都设计成富氧补燃循环。哪有什么“富燃就是补燃”?

美国刚开始买RD-180的时候还没有同等水平的煤油发动机,当时俄国在这方面的确优势极大。后来美国研制了tr107、rs84,俄国在煤油机领域也没什么技术优势了。美国后来放弃自产继续买RD-180纯粹是图省钱。现在美国国会已经通过议案终止采购RD-180。

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本帖最后由 .过客. 于 2014-6-5 17:24 编辑

50年代的老式煤油发动机和现在的新式煤油发动机不同

美国50年代土星I、IB用的H-1煤油发动机、土星V用的F-1煤油发动机很落后,属于开式循环火箭发动机,存在一系列无法解决的问题,例如:低混合比燃气驱动积碳问题。。。。。。此类问题导致煤油火箭发动机没有得到充分利用,也称老式煤油火箭发动机。

现在的煤油发动机正相反,是闭式循环发动机,全称是:液氧\煤油高压补然发动机,能全流量补燃。解决了一系列问题,如解决了用煤油作冷却剂的问题、如解决了不稳定燃烧的问题、如解决了低混合比燃气驱动积碳问题。。。。而且该发动机可以重复使用,能用来研制往返式航天器。也称新式煤油发动机,它开创了煤油发动机广泛利用的新时代。

与甲烷不同,煤油是常温推进剂,使用极端方便,安全性高。而甲烷、液氢等推进剂是低温推进剂,储存、运输、加注、操作都比较复杂,泄露容易起火爆炸。

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谁说“所谓的富燃就是补燃技术”?根本两码事嘛,让你给混一块了。
富燃只是预燃室中的一种燃烧状态 ...
monster 发表于 2014-6-5 12:02


还是那句话,请看我在四楼的转帖~
如果对原理机制还是不甚明了请看这里;http://wenku.baidu.com/view/85c00308763231126edb110b.html
百度文库里的资料提到的先进闭式循环系统其中最大难点之一就是,煤油气化时的温度和氧气浓度必须控制在一个很狭窄的区间,否则很容易产生积碳。

说明新能源液体火箭的探索很多,不仅有我楼上提到的新一代液氧\煤油\液氢三组元火箭,还有甲烷火箭。例如: ...
.过客. 发表于 2014-5-31 14:04


中国或许会在十几年内都不会重新研制比YF-100推力更大的发动机了。之前曾在观察者网站有看到,航院那边做过预算,如果要研制更大推力的发动机需要3000亿¥ 中国2014年军费预算才6000多亿¥ 显然无法推动。在YF-100基础上做改进推出不同的更新型号应该是常态。

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本帖最后由 .过客. 于 2014-6-11 12:35 编辑

1、YF-100极端重要,但全局看长远看,它根本不够用。
2、长征9号等火箭用的重型火箭发动机,2014年就会正式立项,运载能力达百吨级,起飞动力达到3000吨级,具备载人登月和空间站的发射能力。
3、新一代液氧\煤油\液氢三组元火箭发动机早就开始探索,只需单级火箭即可入轨,不再需要二级、三级火箭。
4、有些极端重要的火箭研制时间长达几十年,假设20年,其费用要分摊到20年的经费里。
5、关于研制新一代火箭预算3000亿钱不够之类话,肯定是误解,不说了。

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1、YF-100极端重要,但全局看长远看,它根本不够用。
2、长征9号等火箭用的重型火箭发动机,2014年就会正式 ...
.过客. 发表于 2014-6-11 12:31



    关于长9阁下能否展开说说呢。YF-100目前推力已经是120T了,再弄个小两百吨的发动机意义不大吧?
除非弄个RD-180那么还是有应用价值的,不过假设按照我上面给出的3000亿经费按照十年规划时间来分摊年经费也高达300亿/年,如果是二十年也要150亿/年。
而探月工程一期总经费是14亿元人民币,分三到四年使用,每年最多4亿元,因此 这个项目通过率是很低的。当然 不排除大家的信息来源是以讹传讹了。
关于YF-100是否堪用还是取决于稳定性,虽然推力小了点但是咱可以在每级火箭上多绑上点~甲烷和液氢目前应该还是箭芯发动机,用于地面发动机应该还未到时候。

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本帖最后由 .过客. 于 2014-6-15 10:13 编辑

长征9号是超重型火箭(也可以叫巨型火箭),是土星五号级别的火箭,其单台发动机也比RD-180与YF100大多了
长9火箭的运载能力即荷载是100吨级别,最大可能达130吨左右。至于长九的起飞动力即推力则达3000吨级别,最大可能达到3500吨左右。只知道这些抽象东西,具体不清楚。
具体费用不清楚。计算口径不同费用差距很大。肯定达不到3000亿人民币。难度是技术并不是钱。
美国新一代超重型火箭,俄罗斯新一代超重型火箭,也可以搜索到消息。美俄中可能都要15年左右才能正式成功,我们是直接研制新一代超重型火箭,难度更大,希望能赶上先进水平。

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