番外篇长征九征项目将展现中国人走向星辰大海的雄心壮志

　　原创兼来源 男神是矮方方 哔哩哔哩弹幕网
　　开篇之前，up主先认个错，之前允诺过各位的这篇文章的后续
　　https://m.toutiao.com/is/JuYNqGL/
　　的番外篇《中国人将如何登月与走向深空》 果不其然的鸽了，对此up主感到非常抱歉。这个番外篇涉及到的资料有点多，而up主最近又挺（偷）忙（懒），所以这个番外篇就鸽了。
　　但在为这个番外篇收集资料的过程中，up主又在长征九号上发现了一些新的点。因此up主决定：将本篇文章命名为《番外篇》，剥夺登月那篇文章＂番外＂的头衔。
　　声明：本篇文章的数据和图片皆来自互联网，并没有泄露国家机密的隐忧
　　对长征九号项目增加的认知，来源于长征九号的各个方面。在此，我们大致将其分为：
　　一、YF130煤油发动机
　　二、YF90氢氧发动机
　　三、YF75膨胀循环发动机
　　四、长征九号未来的发展
　　五、长征九号的对手们
　　下面就我们就从YF130开始说起
　　一、YF130煤油发动机
　　上篇文章中，我们比较粗略的介绍了煤油机的历史和国际上几个典型的煤油机，却忘记了介绍一下YF130的的数据在国际上是什么水平，以及未来的发展前景。
　　由于目前所知的数据并不多，我们就单以比冲作为比较标准吧。
　　比冲，简单的来说，描述的是发动机对燃料的利用率。比冲越高，在推力相同、燃料重量相同的情况下，可以让火箭获得更快的速度以及更高的高度。
　　使用燃气发生器循环的煤油机比冲普遍较低，如土星五号的F1，海平面比冲仅263s，spacex公司的＂劳模＂梅林1D海平面比冲仅275s。
　　富氧预燃的煤油机比冲通常较高，如中国yf100的海平面比冲为300s（2942.0m/s），著名毛发nk33的海平面比冲略低于300s（2913.57m/s），rd170的比冲则为308s（多室发动机的燃烧室膨胀比有先天优势）
　　yf130的海平面比冲则是
　　由于是起飞级，这里的比冲指的是海平面比冲
　　影响比冲的因素通常有两个：燃烧室的面积，和 燃烧室的压力。
　　想在相同的燃烧室面积基础上提高比冲，方法也有两个：增大燃烧室面积 或者增大燃烧室压力，由于增大高温高速燃气的压力对于燃烧室材料性能的挑战很大。所以提高发动机比冲一般都是通过增大燃烧室的面积来实现的。
　　这其中有两个比较典型的案例：rd180与RL10
　　当年，俄罗斯人把rd170切成两半研发出rd180，rd180的海平面推力由理论上的370吨变成了390吨。rd180的海平面比冲也从rd170的308s变成了311s。
　　其中最关键的原因，就是俄罗斯人把rd170原本的24.5MPa室压提升为了rd180的25.7MPa。
　　而美国的传奇氢氧机RL10，后期加装延长的折叠喷管之后，真空推力由66.7KN（约6吨）提升到了110.1KN（约11吨），真空比冲由433s提升到了462s。（当然提升的原因不止是因为加长了喷管，但是喷管的影响最明显）
　　比冲、推力、室压，这三者互相关联、互相影响。那么问题来了：YF130的室压有多大？
　　我们就粗略的比较一下使用两台yf130的长九5米直径助推和使用单台rd170的天顶号火箭的燃烧室面积。
　　可以看到，天顶号火箭3.9米的芯级被四个喷口塞的满满当当，而长征九号的5米助推也被四个喷口塞得满满当当。
　　因此我们也可以得出结论：yf480的燃烧室面积比rd170大的多
　　然而，两台燃烧室面积更大的yf130虽然推力达到了960吨，比rd170的740吨大。比冲却仅仅达到306s，低于rd170的308s。
　　更大的燃烧室面积却带来了更小的比冲？真相只有一个：yf130的室压比RD170的24.5MPa小得多。
　　其实，yf130的指标对于中国航天来说本来就是相当大的技术难题。更大的室压带来的必然是更大的技术难关，对于耐热材料的性能和发动机结构的设计都是更大的挑战。
　　中国航天之所以降低了yf130的设计室压，其实还是一种技术保守的思想。主要是为了降低研发难度，不让yf130因为过多的技术难题而难产，最终拖累长征九号的首飞。
　　长9是中国超重型火箭领域唯一的顶梁柱
　　说到底，还是因为中国航天缺钱却又志向远大，导致中国航天不得不走上＂一发定全局＂的高风险路线，一旦一发火箭的发射推迟或者故障，一大堆航天计划都得跟着推迟。
　　yf130的设计指标虽然看起来激进，但其实里面还是有不少的保守思想。但是，这也为yf130留下了大量提升空间，未来长征九号首飞成功之后，基于yf130成熟原型机的各种改型也会迅速的提上日程，使得yf130不仅可以技术稳定的传承下去，还能冲击＂国际领先水平＂。
　　通过增大室压增加了推力和比冲的yf130改型，未来装上长征九号之后，还可能使得长征九号的leo实际运载力直接飙上200吨，成为人类历史上第一款200吨运力的火箭。
　　之前最被人熟知的冲击200吨运力的运载火箭，还是苏联由能源号发展来的祝融星号。
　　精 苏 落 泪
　　而未来yf130的改型，除了可以替换双发yf100的单室构型之外，也有可能发展出rd170那样的四室构型。
　　大致发展示意图
　　四室构型虽然看起来很大块，通用性差。但是他对未来长征九号的改进其实是挺有利的。目前长征九号的起飞级是12台yf130，未来则可以做到只用6台发动机就将180吨甚至200吨载荷送上leo
　　灵魂绘画，表示一下长九芯级用两台顶四台后的想象图
　　这样做还可以降低由于多台发动机工作时产生的振动曲线发生耦合造成整箭共振、最终所有部件都正常运行但整个火箭损毁的风险。这样的好事可上哪儿找去
　　除此之外，合并成四室的时候即使不增加室压，总推力也达到了960吨，如果再把室压往上提一提，人类历史上的第一台千吨液体发动机就诞生了。
　　上一台想做到千吨推力的液发，还是苏联曾设想过的rd150，也就是rd170的前身，后来由于指标太高就放弃了。
　　中国火箭发动机的研发，一直有 ＂N年不换一个型，换一个型够吃N年＂ 的传统。等到yf130在长征九号上首飞成功，验证技术稳定之后，不知道这个发动机够中国航天吃多少年呢？
　　二、YF90氢氧发动机
　　关于这个220吨氢氧发动机的介绍，上一篇文章其实已经说的挺清楚了，在这里我们再做一些补足。
　　关于＂效率低下＂的苏联rd0120
　　在上篇文章中，up主一时口急心快，直接说rd0120上氢氧泵共轴的设计导致了他的燃料利用率低下，比冲较低。其实这个总结并不全面
　　up主后来查阅了一下百度，发现rd0120的海平面比冲为 359s的确低于rs25的 366s和rs68的365s。
　　然而他的真空比冲却为455s，比 rs25的 452s和rs68的 410s高了不少。
　　这件事也告诉了我们三个道理：1，比冲其实是一个非常复杂的概念，并不是几个因素就可以决定的，但是up主并不是专业搞航天的，所以就不展开细说了。2，在人类科学家的智慧面前，任何桎梏和困难都是不存在的。3，苏联科学家是真的强。
　　再回到yf90，目前我们并不知道yf90的海平面比冲是多少，仅仅知道他的真空比冲是453s。
　　哪儿会有453s海平面比冲的氢氧机
　　只标出真空比冲，也表明了yf90的其中一个设计思想：从第一台原型机开始，就在为真空进行优化设计了。
　　之所以这样设计，是因为yf90装在了二级，当二级点火的时候，箭体已经徘徊在100km高度的太空分界线附近，此时已经几乎是真空工作环境了。
　　为真空进行设计优化的好处是真空推力和比冲得以提高，坏处是会干扰在海平面工作时的推力和比冲。如果要同时在海平面和太空工作，那就会是另一个矛与盾的难题。（之前所说的rd0120、rs25和rs68都是这样）
　　这也许也是中国航天的科学家们最终选择在长征九号的一级上全放煤油、把氢氧放二级的其中一个原因：简化工作环境，就可以简化研发难度，保证研发进度不受阻，而且更容易保证工作时的可靠性。
　　三、YF79膨胀循环发动机
　　在上篇文章中，我们提到过有的同学担心yf79是长征九号技术难度最大的一部分，会拖整个项目的后腿。
　　实际上，膨胀循环发动机的著名之处就在于他的结构简单却可靠，真空性能好，研发难度也不高。
　　膨胀循环液氢发动机的原理很简单：把液氢引出来，液氢被发动机加热成气体，氢气受热后体积膨胀带来冲力，氢气冲击在涡轮上带动涡轮泵，涡轮泵抽出液氧液氢进入燃烧室燃烧，发动机持续工作产生推力。
　　膨胀循环分为闭式和开式两种。
　　其中，闭式膨胀循环是指作为动力源的氢气完成任务之后，继续输入燃烧室进行燃烧，但是这样会导致膨胀后的氢气受到来自燃烧室的负压，进而导致氢气带动涡轮泵的力度降低。
　　最终发动机抽不到足够的燃料，无法持续工作。也因此，闭式膨胀循环的极限推力无法超越30吨。
　　非常优秀的460s真空比冲
　　这个25吨真空推力的yf79，其实并不算是特别刁钻的技术难题。在之前中国就搞过闭式膨胀循环的氢氧机了，那就是推力9吨级的yf75d。
　　而开式膨胀循环氢氧机就比较冷门了，目前只有一个国家搞过，那就是日本，代表型号LE5和LE9。
　　为H3火箭而生的LE9，环绕着燃烧室的巨大氢气加热管十分显眼
　　开式膨胀循环，顾名思义，完成任务后的膨胀氢气直接排出去，不输入燃烧室进行燃烧。
　　这样带来的好处是动力源氢气不受燃烧室的高压影响，发动机推力可以做到百吨以上（LE5B推力13吨，LE9推力140吨）。坏处是大量氢气没有经过燃烧就排出去了，直接拉低了发动机的比冲，而且推力越大，浪费的氢气越多，比冲就会越低（LE5B真空比冲447s，LE9真空比冲420s）
　　结构简单，技术难度低，性能在氢氧机中却是吊车尾，简单两个字形容：＂鸡肋＂
　　四、长征九号未来的发展
　　要说未来的长征九号的发展，还得从发射场开始说起，文昌过几年似乎要搞一个不同寻常的发射设施
　　注意＂火箭制造与测试基地＂和＂航天岛＂两个地方
　　未来，将一部分火箭的制造、测试、发射将全部集中在文昌，避免了转运火箭的舟车劳顿和各种影响本地社会秩序的交通管制。
　　要是恰巧撞上晚高峰啥的，那文昌人民还真是心态崩了
　　超重型火箭运到航天岛上发射，方便了火箭的组装转运发射一体化管理。周围的海水成了天然的降噪屏障。发射时也不再需要花大人力去管控发射场周围的人员秩序（观光人员直接走到沙滩上就可以看了，缺的可能是几个救生员）
　　长九进军火箭返回？
　　关于火箭返回，最重要的问题其实还是成本划不划算，这个问题其实还可以转化为另外一个问题：要不要回收箭体？
　　在一坨被丢弃的一级火箭中，发动机是其中最贵、最重、最有回收价值的部件，尤其是对于富氧燃烧发动机来说，如果成功回收，发动机的状态还能堪比全新货，可以省下很大的火箭制造成本。
　　当马一龙在搞猎鹰9回收的时候，nasa和中国航天局向spacex询问最多的，也是＂箭体能重复使用多少次＂。
　　猎鹰9制造箭体使用的是2195铝锂合金，这种合金比起一般火箭的铝合金箭体可是贵了好几倍。再加上每次发射时翻新箭体花去的成本，按照NASA的计算，猎鹰9至少要重复发射10次以上，才能做到回报大于付出的可持续循环。
　　spacex曾放出豪言猎鹰9可以重复使用100次，然而目前猎鹰9能做到的最大重复发射次数是多少呢？是5次，而且看起来箭体状态不太妙。
　　这给带着箭体回收的方案是否真能省钱打上了一个大大的问号。
　　同样是火箭回收，美国著名黑店ULA则在新的＂火神＂火箭上给出了另一个解决方案：只回收发动机
　　用的还是充气隔热罩
　　据ULA所说，这样能让每发火箭的成本减少百分之60，但是具体如何，仍然需要实际验证。
　　对于长征九号来说，搞火箭回收是一个大方向，但是重复使用的箭体需要相当高的制造成本，使用次数多了还容易发生材料疲劳断裂的事故。
　　也许，把箭体直接扔掉，只把发动机捞回来才是长征九号搞回收的最好路线了吧。
　　甲烷机挑战下的煤油火箭
　　甲烷火箭一直是一个饱受争议的问题，实际上，用甲烷当火箭燃料在当年美苏航天竞赛的时候就想过了，但是最终双方都选择了煤油。
　　甲烷的优点那么多（这里就不一一细说了），为什么美苏当年都没选择甲烷呢？
　　其中主要有两个原因：
　　1，发动机的腐蚀问题，有的同学肯定还记得，在上篇文章里，我们提到的当年美国研发F1时所遇到的那个＂室压大于7MPa就爆炸＂的金属结焦难题。而这个难题到了甲烷机上之后，还变本加厉了。
　　一方面，长久以来甲烷的工业化生产主要依靠从天然气中分离提取，而世界上大多数的天然气都混合了不少硫杂质。
　　另一方面，由于甲烷的特殊物理性质，在高温环境中，甲烷中夹杂的硫极易与铜发生反应，形成结焦，堵塞燃料管。这就导致了甲烷机对于燃料脱硫的要求非常高。
　　要命.jpg
　　当前，甲烷脱硫的技术已经发展的相当成熟了。破除了这一大障碍，未来随着化石能源的枯竭，甲烷火箭也将逐渐成为人类离开地球的主要动力。
　　2，但是目前，甲烷机还不会是人类航天的主要动力。
　　一方面，石油能源尚未枯竭，人类对煤油的特性也更熟悉。
　　另一方面，甲烷常温下为气态，要装入火箭还需要额外的冷却加压和箭体保温措施。这些特性与煤油是完全不同的，因此甲烷火箭与煤油火箭的发射场无法通用，甲烷机甚至只能自己新建发射场，这导致了甲烷火箭的推广很缓慢。（当然，对于液氢+固推的发射场来说就容易的多了，毕竟液氢的加注也需要庞大的冷却设施，然而甲烷的冷却条件却不需要液氢那么高）
　　可以预见，在未来的数十年里，甲烷火箭将与煤油火箭并道相驰，但是难以取代煤油。
　　五、长征九号的对手们
　　关于世界上正在研发的重型火箭的介绍，我们在上一篇文章已经说过了，在这里我们重点介绍一下美国的SLS项目。
　　最新消息，由于SLS首飞的载荷猎户座飞船的地面测试出现问题，SLS的首飞推迟到了2021年。
　　而由于新冠疫情的缘故，到了2021年SLS能不能成功首飞还是一个谜。（他的首飞本来定的是2018年的啊！！）
　　在上篇文章中，up主曾粗略的提到过SLS最高有160吨的运力。后来去查证了一下，发现这个说法其实有些错误。
　　原本的SLS发射计划是这样的：
　　1、2020年，首发SLS block1，70吨LEO运力，主要负责运送猎户座飞船绕月。
　　2、2023年，首发SLS block1b，105吨LEO运力，主要负责运送深空之门月轨空间站的舱段。配合美国载人登月任务。
　　3、2029年，在月轨空间站和月面科考站建设完毕以后，首发SLS block2，130吨LEO运力，主要负责火星中转空间站的运输。配合美国载人登火任务。
　　在初期的ppt中，整个sls的发射计划还要往前提几年
　　在这里可以看到，130吨运力的block2已经是整个SLS计划中最大运力的构型了，而且还是换装了先进固推和芯级发动机模组的＂魔改版＂，至于传说中的160吨运力，那还只停留在＂甚至可能达到＂的层面（尤其是以当前形势来看，130吨运力的block2能不能生出来还不一定）
　　2020年以来，SLS计划惹得美国国会非常愤怒，具体原因则是传统艺能：进度拖延与预算超支。
　　为了给SLS计划打点鸡血，美国国会和NASA联合推出了三项应对策略：
　　1，天天骂他＂进度拖延＂和＂预算超支＂。（好像没啥用，打不动厚脸皮）
　　2，向波音承诺，不管你用啥方案，只要你保证能在2024年送美国人登月，整个sls计划中的其他项目我都可以批准你多鸽几年。（为什么这么着急赶在2024年登月，难不成是东方某大国…）
　　3，邀请几家航天私企加入美国登月计划，并且表现出很欣赏的样子。
　　其实，这些私企都只是收了钱来唱唱戏而已，在NASA的心中，SLS的大火箭才是唯一能登上月球的那个。
　　具体原因？看看星舰的登月计划就知道了
　　要想登月后安全重返地球，总共大概需要发射和对接17次
　　由于星舰计划选择了最＂笨拙＂的整体入轨、整体登月、整体上升、整体再入 累加在一起的方案，再加上星舰的箭体是用不锈钢制造（不知道正式发射的时候还是不是不锈钢），自身结构较重，星舰携带的燃料就不多，然而变轨所需的燃料却需要很多。
　　这就导致了星舰需要不停的太空对接进行加油才能从月球安全返回，其中，有些星舰甚至需要自身多次太空加油后才能为执行登月任务的星舰加上油…
　　spacex真能造出那么多星舰备用吗？这些星舰真能成功发射、成功对接、成功返回吗？如果其中一环出了事故，马一龙真有办法把人全救回来吗？这些都要打一个大大的问号。
　　其实还有更＂现实＂的方案
　　也许spacex自己也知道靠星舰计划可无法在nasa的登月计划里争到一杯羹，所以他还做了另外一个载人登月的ppt，然而这个ppt似乎连NASA的门槛都没能进去。
　　目前spacex在nasa登月计划中分到的最大一杯羹，还是深空之门空间站用于补给的一次性货运飞船项目。
　　然而，这个补给飞船和spacex那个能多次使用的龙飞船关系并不大，这个飞船不能载人，也不能重复使用。
　　而nasa最终选择spacex来做这个项目的主要原因也是因为价钱够低，而且以往spacex的发射记录也比较良好。至于使用火箭发动机反冲垂直回收、飞船重复使用多次之类的花里胡哨的高科技，nasa还是一项也看不上。
　　不知不觉，这个番外篇已经码了6800字左右，和正篇有得一拼，时间也不知不觉来到了凌晨一点，文章到了最后，却不知道该怎么收尾，那up主就祝大家做个好梦吧
　　至于下一篇《中国人将如何登月以及走向深空》什么时候能肝出来，大家敬请期待。我向大家保证，最晚不会晚于今年圣诞节（开玩笑的啦）