液氧煤油—我国新一代液体运载火箭主要动力的首选及各国发展历程

来源北京航天试验技术研究所

火箭煤油具有密度大、比冲高、成本低、绿色环保等优势，已成为我国液体运载火箭主动力用推进剂的首选。时至今日，俄罗斯液氧煤油发动机的性能在世界上依然首屈一指，而煤油和发动机的发展是相辅相成、相互促进的，因此，这里以苏联/俄罗斯火箭煤油的发展为代表来展示火箭煤油的发展历程。同时对主要航天国家使用的火箭煤油进行比较分析。

一、俄罗斯火箭煤油的发展

苏联/俄罗斯火箭煤油发展历程

（1）第一代火箭煤油T-1-开式循环发动机的选择

T-1煤油（GOST 10227-1986）是苏联科学院可燃化石研究所（现俄罗斯科学院A.V.托普切夫石化合成研究所）和阿塞拜疆科学院共同参与研发的一种火箭煤油，其主要组成链烷烃占比24%-42%，环烷烃占比42%-69%，烯烃和芳香烃含量占比分别为1.0%-1.3%和14%-20%。

总硫含量一般为0.02 wt‰-0.04 wt ‰。 因芳烃含量、烯烃含量和硫含量较高，对燃烧室进行主动冷却时，如通道内压力和热负荷较大，在冷却通道内易生成结焦沉积物，从而降低火箭的寿命。因此，T-1煤油主要用于RD-107(8D74) / RD-108等开式循环火箭发动机，其燃烧室压力P≤6.9MPa。

苏联V.P. Glushko院士在1957年将T-1煤油作为 R-7 洲际弹道导弹的燃料，在此基础上用于“人造卫星”运载火箭、东方运载火箭（用于首次载人飞行）、联盟号运载火箭（用于载人飞行和各种用途的卫星发射）等。

RD-107发动机（左）和RD-108发动机（右）

（2）第二代火箭煤油-RG-1煤油 -高室压液氧煤油发动机的选择

为进一步提升液氧煤油发动机综合性能，苏联/俄罗斯开始了新一代火箭煤油的研制，进一步降低硫含量和芳烃含量。1981年形成了RG-1煤油的技术标准（TY 38.001244-1981），其环烷烃占比达到85%-88%（双环烷烃占比15%~18%），异构链烷烃占比10%-12%，单环芳烃占比2.5%-3.0%，硫含量不高于0.011‰，属于俄罗斯的第二代火箭煤油。RG-1煤油芳烃含量和不饱和烃含量低，而硫含量是T-1煤油中的十分之一，具有密度高、热稳定性好的特点，对推力室再生冷却可发挥更好效用。

1963年用于 RD-111 (8D716) 发动机的 R-9 洲际弹道导弹第一级，RD-461 (11D55)第二级，联盟-U RD-0110（11D55）三级发动机。现主要用于“能源号”RD-170发动机（室压24.5MPa），“天顶号”RD-171和RD-120二级发动机（室压16.3MPa），“宇宙神”和“安加拉”RD-180和RD-191等高压补燃液氧煤油发动机。

为解决因苏联解体带来的生产问题和运输距离问题，俄罗斯石油公司在东方航天发射场建立了新的萘基煤油生产线，2022年起，从东方航天发射场升空的联盟号运载火箭将全部改用萘基煤油。

典型高压补燃液氧煤油发动机

（3）火箭煤油改性-降低流阻，间接提升运载火箭

大推力液氧/煤油发动机和重型运载火箭是未来的技术发展方向，但由于推进剂的流量增大，加上湍流和极端热流的影响，使得管路流动阻力高，对泵产生高负载，这给发动机整体参数平衡带来了新的难度。俄罗斯动力机械科研生产联合体在20世纪80年代开始对火箭煤油减阻技术进行研究，并取得较大进展，研究内容包括对煤油减阻剂种类进行筛选、煤油添加减阻剂后对喷嘴雾化效果、发动机元件的液流特性和动力性能的影响；并建立了主动换热的准则。14Д22发动机使用低流阻火箭煤油后，涡轮泵扬程提高了6%，流动阻力降低了18%，推力增加了5%，将其应用在联盟-Y火箭和联盟-2-1a火箭上，有效载荷可分别提高109 kg和113 kg。

（4）高能煤油Syntin-显著提升液氧煤油发动机比冲性能

Syntin是苏联/俄罗斯在1970年研制出的一种高能煤油，与传统石油基火箭煤油相比，具有比冲高（提高7～15s）、密度大（提高2.2%）等优点。截至目前，苏联/俄罗斯的高能煤油共执行了超过135次航天发射任务，支撑了联盟号、质子号等运载火箭的性能提升，具有十分成熟的工程应用经验。

1982年-1995年，Syntin煤油用于联盟U2运载火箭助推级RD-117和一级发动机RD-118，实现了对联盟U的升级，其运载能力获得大幅提高。后用于“联盟FG”和“联盟2”的RD-107A和RD-108A发动机，另外Syntin煤油用于质子号上面级RD-58s等发动机。苏联解体后，因经济和生产地域问题，Syntin煤油在1996年停止使用。

RD-107A和RD58s发动机

二、国内外典型火箭煤油对比

美国在研究火箭煤油方面历史悠久，1961年研制出了世界上最大推力的单燃烧室F-1液氧煤油火箭发动机，采用的RP-1煤油在1957年颁布了国家军用标准MIL-F-25576A，但RP-1煤油硫含量较高，限制了液氧煤油发动机的性能提升。2006年4月14日，美国颁布军用标准MIL-DTL-25576E，在RP-1煤油的基础上增加了RP-2煤油。

与RP-1煤油相比，RP-2煤油的硫含量大幅降低，可解决煤油主动冷却时因材料相容性带来的结焦问题，其他技术指标完全相同。美国Spacex公司的Merlin液氧煤油发动机和联合发射联盟公司的宇宙神5火箭RD-180发动机均采用了RP-1煤油，精制后的RP-2煤油价格约为RP-1的2倍，未来可用于可重复运载火箭领域。

鉴于我国液氧煤油发动机与俄罗斯RD-120发动机技术的同源性，国内研制出的火箭煤油在烃类组成和性能方面与RG-1煤油非常相似，于1996年研制成功并完成成果鉴定，在2019年形成国家军用标准GJB 9269-2019 《液体火箭发动机用煤油规范》，支撑了我国新一代运载火箭工程型号应用。表1中列出了中、俄、美三个国家代表性火箭煤油的烃类组成和理化性质。

RP-1煤油的烷烃含量明显比RG-1煤油高，而双环烷烃含量低于RG-1，RP-1和RG-1煤油中氢碳比分别为1.952和1.946，RP-1煤油较高的氢含量是由于高烷烃含量引起的。RG-1煤油的密度比RP-1高约3%，硫含量低约21%。洛克希德.马丁航天公司和NASA马歇尔太空飞行中心系统研究了RG-1和RP-1煤油在结构组成和性能方面的对比，发现在进行再生主动冷却时，RG-1煤油的冷却效果优于RP-1煤油，在工程应用时可适应更高的燃烧室压力和温度。美国先后从俄罗斯引进了RD-120、NK-33、RD-180液氧煤油发动机，采用RP-1煤油开展了相关研究和工程应用，可见上述两类航天煤油均可满足现阶段不同液氧煤油发动机的需求。

三、我国火箭煤油的前世今生

我国火箭煤油的相关研究开始于1963年，初衷是为了找一种价格便宜、毒性低的液体燃料，为此航天科技人员开始在全国范围内进行油田的调研和分析工作，并同克拉玛依石化公司共同完成火箭煤油关键技术攻关，研制出具有我国特色的火箭煤油8284，现已形成国家军用标准，有力支撑了我国新一代、重型运载火箭的研制。

另外，为进一步提升我国液氧煤油发动机的能量比冲性能，北京航天试验技术研究所率先在国内突破了高能合成煤油制备关键技术，经过近10年的关键技术攻关，研制的高能煤油GN-1于2020年在我国18t液氧煤油发动机上完成比冲性能验证，比现役石油基火箭煤油高7s以上，在未来我国载人登月、新一代运载火箭等领域应用前景明朗。

四、我国火箭煤油发展重点和方向

长征-7号、长征5号、长征9号及新一代载人运载火箭将在我国深空探测、载人登月等国家重大航天工程中发挥重要作用。因此应系统开展碳氢燃料构效关系和规律研究，提出火箭煤油结构设计优化的思路，以期通过提高热值实现液氧煤油发动机比冲增加的目的；也可以通过对现役火箭煤油进行改性研究，提高其传热能力、降低其结焦和输送过程中的阻力，以适应液氧煤油更高室压的设计。为我国持续提升液氧煤油发动机综合性能提供技术支撑。