Motores de cohete YF

YF-24B; Cuatro boquillas vernier tipo YF-23B para dirección

Los motores de cohete YF ( chino  YF 系列 火箭 發動機 /  YF 系列 火箭 发动机, Pinyin YF Xìliè Huǒjiàn Fādòngjī ) son una serie de motores de cohetes líquidos para misiles de mediano alcance y vehículos de lanzamiento civiles fabricados por la Academia China de Tecnología de Motores de Cohetes Líquidos y su subsidiarias . En cuanto a que los motores funcionan con combustibles criogénicos , se fabrican en Beijing . Todos los demás motores YF, que funcionan con mezclas de combustible hipergólico que se pueden almacenar a temperatura ambiente o con queroseno y oxígeno líquido , se fabrican en Xi'an . Las pruebas de motores se llevan a cabo en valles remotos de las montañas Qinling .

Motores importantes

YF-1

Proceso secundario

El primer motor de la serie fue el “motor cohete líquido 1” (液体 火箭 发动机, Pinyin Yètǐ Huǒjiàn Fādòngjī , de ahí “YF-1” para abreviar) para la primera etapa del misil de mediano alcance Dongfeng 3 . Fue desarrollado sobre la Base 067, fundada en 1965 en Baoji, provincia de Shaanxi . El motor de flujo de derivación , cuatro de los cuales se combinaron en un módulo de 1180 kg llamado "YF-2", utilizaba etanol con los oxidantes ácido nítrico (73%) y tetróxido de dinitrógeno (27%), también conocido como "AK-27". Como combustible. Con una relación de mezcla de oxidante a combustible de 2,46, generó un empuje de 255 kN al nivel del mar, es decir, 1020 kN de empuje inicial para el cohete, y entregó un impulso específico de 240 s. El mismo motor llegó en la primera etapa del cohete. Cohete civil Changzheng 1 para su uso. El motor YF-3 desarrollado para la segunda etapa de Dongfeng 3 y Changzheng 1 era significativamente más potente. Este motor, del que solo se utilizó uno en la etapa, generó un empuje de vacío de 320 kN con AK-27 y 1,1-dimetilhidrazina , también conocida como "UDMH", en una relación de mezcla de 2,48 y entregó un impulso específico de 287 s.

Estos motores básicos se han mejorado aún más con el tiempo. Por ejemplo, con el YF-1A, que generó un empuje de 275 kN y un impulso específico de 243 s con UDMH en lugar de etanol, el alcance máximo del Dongfeng 3A, que se lanzó por primera vez en 1985, se incrementó de 2660 km a 2810 km. El mismo motor o el módulo de cuatro motores YF-2A se utilizó en el Changzheng 1D, que despegó por primera vez en 1995 para un vuelo de prueba suborbital. Junto con un cambio de combustible en el motor de dos etapas YF-3, la carga útil del cohete podría aumentarse de 300 a 740 kg.

YF-20

En otoño de 1969, la segunda oficina de ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica en Shanghai (ahora Academia de Tecnología Espacial de Shanghai ) comenzó a desarrollar el vehículo de lanzamiento de dos etapas Feng Bao 1 . Desde 1970, la 1ra Academia del Séptimo Ministerio de Ingeniería Mecánica (第七 机械 工业 部 第一 研究院, hoy " Academia China de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento ") bajo la dirección de Ren Xinmin trabajó en un vehículo de lanzamiento similar con la designación basada en Dongfeng 5 ICBM " Changzheng 2 ", más tarde llamado "Changzheng 2A". Para estos dos cohetes, la base 067 desarrolló el motor YF-20, que también funciona según el método de flujo de derivación. A diferencia del YF-1, los motores de esta serie, que todavía se utilizan hoy en día, utilizan tetróxido de dinitrógeno puro como oxidante. El combustible permaneció sin cambios con 1,1-dimetilhidrazina . Un YF-20 generó un empuje de 696,25 kN y un impulso específico de 259 s. Para la primera etapa del FB-1 y del CZ-2, cuatro de estos motores se instalaron en un módulo de 2850 kg denominado "YF-21" resumido. Estos cohetes lograron un empuje de lanzamiento de 2.785 kN, más del doble que el sistema de propulsión YF-1. Para la segunda etapa de Feng Bao 1, el YF-22 se desarrolló con una boquilla optimizada para funcionar en vacío . Este motor generó un empuje de vacío de 719,8 kN y un impulso específico de 289 s.

En el Changzheng 2, la segunda etapa era orientable. Para este propósito, se colocaron cuatro boquillas vernier YF-23 pivotantes alrededor del motor YF-22 . Se trata de pequeños motores con un empuje de vacío de 46,1 kN cada uno, que, al igual que el motor principal, utilizan la mezcla de combustible hipergólico UDMH / tetróxido nitroso. La unidad de accionamiento que consta de la YF-22 y cuatro boquillas vernier YF-23 se conoce como "YF-24". Al igual que los otros motores de la serie YF-20, el YF-24 todavía se utiliza en una forma mejorada, por ejemplo, como el YF-24B en el Changzheng 2C o como el YF-24D en la segunda etapa del Changzheng 3B .

YF-75

Los motores, que funcionan con mezclas de combustibles hipergólicos que se pueden almacenar a temperatura ambiente , se desarrollaron principalmente sobre la base de 067 en Shaanxi. Sin embargo, al mismo tiempo, por sugerencia de Qian Xuesen , entonces subdirector del 5º Instituto de Investigación , en enero de 1961 se inició el trabajo en Beijing en motores que utilizaban la combinación de combustible criogénico de hidrógeno líquido / oxígeno líquido . Esto permite un impulso específico más alto que el UDMH / tetróxido nitroso y es mucho menos tóxico. En cooperación con lo que entonces era el Instituto de Investigación de Mecánica de la Academia de Ciencias de China , en marzo de 1965 se diseñó y construyó una cámara de combustión que, aunque utilizaba hidrógeno gaseoso, generaba un empuje de 2 kN como oxidante y podía encenderse con éxito varios veces. En 1970, a pesar de la Revolución Cultural y las tensiones con la Unión Soviética, se construyó una cámara de combustión para hidrógeno líquido y oxígeno, que generó un empuje de 8 kN. Hoy en día, esto se considera un gran avance en el desarrollo de los motores chinos LOX / LH 2 .

Módulo 4 × YF-73

En octubre de 1970, cuando Ren Xinmin acababa de comenzar a desarrollar el cohete portador de tetróxido nitroso / UDMH Changzheng 2, encargó al Instituto de Investigación de Pekín para la Propulsión Espacial que desarrollara un prototipo de motor criogénico con un empuje de alrededor de 40 kN. Unos cuatro años después, dicho prototipo, que funcionaba según el método de flujo lateral, estaba listo; el 25 de enero de 1975 corrió por primera vez durante 20 segundos en el banco de pruebas. El 31 de marzo de 1975, Mao Zedong aprobó el plan para lanzar un satélite de comunicaciones geoestacionario , más tarde llamado Dong Fang Hong 2 , en una órbita de 36.000 km de altura; un proyecto comúnmente conocido como " Proyecto 331 " después de la fecha . Esto requirió un cohete de tres etapas, el Changzheng 3 . Las dos primeras etapas del nuevo cohete, incluidos los motores de la serie YF-20, se trasladaron del Changzheng 2. Sin embargo, para la tercera etapa, el YF-73 ya se ha desarrollado en Beijing. Este motor pesaba 236 kg y, con una relación oxígeno-hidrógeno de 5,0, generaba un empuje de poco más de 11 kN con un impulso específico de 420 s, un 45% más que el YF-22. Aquí también se combinaron cuatro motores en un módulo de accionamiento. Reactivadas y pivotantes individualmente alrededor de un eje, juntas generaron un empuje de vacío de 44,15 kN.

El YF-73 tuvo su primera misión el 29 de enero de 1984 en el intento, infructuoso, de colocar el satélite de comunicaciones Dong Fang Hong 2-1 en órbita geoestacionaria. En total, el motor se utilizó en 13 vuelos. Tres de ellos fallaron (1984, 1991, 1996), cada uno debido a una falla del YF-73, en dos casos (1984 y 1991) pocos segundos después de su segundo encendido. Después de un último vuelo el 25 de junio de 2000, el motor fue dado de baja debido a su falta de confiabilidad y al deseo de una propulsión aún más potente.

Ya en 1982, cuando aún no se conocían los problemas con el YF-73, los ingenieros del Instituto de Investigación de Pekín para la Propulsión Espacial comenzaron a desarrollar un modelo sucesor para cargas útiles más altas. El motor con la designación "YF-75" estaba destinado a ser utilizado en la tercera etapa del lanzador Changzheng 3A mejorado . En vista de los satélites de comunicaciones cada vez más exigentes, la capacidad de transporte para órbitas geoestacionarias debería aumentarse de 1,5 ta 2,6 t. Después de que el gobierno chino diera permiso en octubre de 1985 para ofrecer lanzamientos de satélites comerciales con vehículos de lanzamiento del tipo Changzheng 2 y Changzheng 3 en el mercado internacional, se intensificó el trabajo de desarrollo.

El YF-75 también funciona según el método de flujo de derivación (consulte la ilustración de arriba); sus bombas de combustible son impulsadas por gases de escape calientes que se generan en una pequeña cámara de combustión separada, el pre-quemador. A diferencia de todos los motores anteriores del mismo fabricante, el YF-75 utiliza dos turbinas para impulsar las bombas de hidrógeno y oxígeno, de modo que ambas pueden funcionar a diferentes velocidades óptimas. La más rápida de las dos, la bomba de hidrógeno, gira a 42.000 revoluciones por minuto . Para la instalación en el cohete, dos de los motores, cada uno de los cuales genera 78,45 kN de empuje de vacío, se combinan en un módulo, donde dan a la etapa del cohete un empuje de 156,9 kN. El impulso específico de este accionamiento es de 437 s. Las bombas están montadas permanentemente en las cámaras de combustión, cada una de las cuales puede girarse alrededor de dos ejes para el control del vector de empuje .

Este concepto resultó ser un gran éxito. Desde el 8 de febrero de 1994 al 9 de marzo de 2020, se realizaron un total de 110 vuelos con cohetes del tipo Changzheng 3A, 3B y 3C, en la tercera etapa de la cual se instala el motor. Solo en uno de ellos, el lanzamiento del satélite de comunicaciones indonesio Palapa-D el 31 de agosto de 2009, uno de los motores YF-75 falló después del segundo encendido. Como resultado, el satélite se colocó en una órbita demasiado baja. No fue hasta el 9 de abril de 2020 que se produjo un nuevo mal funcionamiento de la tercera etapa cuando se lanzó un Changzheng 3B, que se suponía que pondría de nuevo en órbita un satélite de comunicaciones indonesio.

El próximo inicio de un Changzheng 3B estaba programado para la mañana del 16 de junio de 2020. Durante la cuenta regresiva, justo después de las 8 p.m. del día anterior, los ingenieros notaron presiones anormales en la válvula reductora de presión en la línea de oxígeno de uno de los dos motores en el módulo de propulsión de la tercera etapa. En primer lugar, se decidió reemplazar la válvula con una válvula de reemplazo que estaba disponible en el sitio. Sin embargo, al retirar la válvula, los técnicos notaron una grieta fina en forma de pata de pollo de aproximadamente tres a cuatro centímetros de largo en la carcasa de la válvula. La Academia de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento de Beijing, con la que se contactó rápidamente, llevó a cabo una prueba exhaustiva en una válvula seleccionada al azar del mismo lote de producción y descubrió otra pequeña grieta. Wu Yansheng, presidente de la junta directiva de la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China , sugirió que se posponga el lanzamiento, una decisión que el comandante del Ejército Popular de Liberación a cargo de la misión apoyó plenamente. Dos días después se instaló una válvula de reemplazo impecable traída de Beijing, y el 23 de junio de 2020, el misil de la Fuerza de Apoyo al Combate Estratégico de la República Popular de China transportó el último de sus satélites de navegación Beidou a la órbita geoestacionaria.

YF-75D

Proceso expansor

Desde mayo de 2001, la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China ha estado trabajando intensamente en un vehículo de lanzamiento modular y pesado . En agosto de 2006, este concepto fue aprobado por el Consejo de Estado de la República Popular China ; más tarde se conoció como "Changzheng 5". Para la segunda etapa de las variantes más grandes de esta familia de cohetes, se proporcionó un propulsor de hidrógeno / oxígeno con dos motores "YF-75D", un desarrollo adicional del YF-75. Se adoptó el sistema de dos turbobombas separadas para hidrógeno y oxígeno, que ya no funcionan con gas caliente de un prequemador, sino que funcionan según el proceso del expansor : el hidrógeno se bombea a través de la pared de la cámara de combustión, donde se evapora y al mismo tiempo enfría la cámara. Desde allí pasa por las turbinas de las bombas de combustible y las impulsa antes de llegar a la cámara de combustión. Para garantizar el calentamiento deseado del hidrógeno, la cámara de combustión tuvo que alargarse significativamente en comparación con el YF-75; es aproximadamente el doble de largo en el YF-75D. Por otro lado, se salvó el prequemador, lo que hace que el motor sea más confiable y acorta el tiempo de desarrollo.

Mientras que el YF-75 usa turbinas con una dirección de flujo radial (el principio del molino de agua), el diseño axial se eligió para el YF-75D después de las pruebas con ambos tipos de turbinas. La bomba de hidrógeno gira a 65.000 rpm La relación de mezcla de oxígeno a hidrógeno es de aproximadamente 6,0 y se puede ajustar mediante una válvula en la línea de oxígeno. A diferencia del YF-75, el YF-75D puede encenderse más de dos veces. Dos de estos motores se combinan en un módulo y se cardan individualmente . El YF-75D genera un impulso específico de 442 sy un empuje de vacío de 88,26 kN, lo que le da a la segunda etapa del Changzheng 5 un empuje total de 176,52 kN.

YF-77

Ya en enero de 2002, la Comisión de Defensa Nacional para la Ciencia, la Tecnología y la Industria otorgó la aprobación para desarrollar un potente motor de hidrógeno / oxígeno para la primera etapa del Changzheng 5 . Dado que en ese momento ya se disponía de software sofisticado para ayudar a los ingenieros en los cálculos con simulaciones por ordenador, ya se podía presentar un primer borrador a mediados de 2002. El método de flujo de derivación se eligió como principio de funcionamiento como con el YF-75, nuevamente con un pre-quemador común pero dos turbobombas separadas para hidrógeno y oxígeno. A diferencia del YF-75, donde el gas caliente se libera al espacio a través de una tubería común después de pasar por las dos turbinas, cada turbina del motor “YF-77” tiene su propio tubo de escape. Dos de estos motores con un diámetro de tobera inferior de 1,45 m están suspendidos individualmente deflectables en un bastidor y, con ello, forman un módulo de accionamiento de 4,2 m de altura y 2,7 ​​t de peso. El YF-77 alcanza un empuje de 510 kN al nivel del mar con un impulso específico de 438 s.

Los componentes más exigentes de un motor son las turbobombas, por lo que se diseñan con especial cuidado y se prueban exhaustivamente. Las turbinas que impulsan las bombas centrífugas de hidrógeno (35.000 rpm) y oxígeno (18.000 rpm) en el YF-77 constan cada una de dos etapas, con el impulsor real y un estator de salida , que elimina el remolino rotacional del gas caliente que sale. para que fluya más uniformemente. La mayoría de las partes de la turbina están hechas de superaleación a base de níquel In 718 de American Special Metals Corporation . Este material conserva su resistencia en un amplio rango de temperaturas y, por lo tanto, es particularmente adecuado para aplicaciones en la construcción de motores. Por otro lado, es muy difícil trabajar con él. Por lo tanto, se eligió acero inoxidable como material para el estator de salida.

Esta medida de austeridad resultó ser un error fatal. Cuando el Changzheng 5 se lanzó por segunda vez el 2 de julio de 2017, la alta temperatura del flujo de gases de escape causó un problema en uno de los motores en el área de salida de una de las turbinas, lo que provocó la pérdida de empuje 346 segundos después del lanzamiento y el cohete se estrellará. Solución de problemas, rediseño de la turbina: el material para el estator de salida se cambió a In 718 y se agregaron cinco álabes de estator más a la turbina ; las pruebas y los nuevos rediseños tomaron un total de dos años. El siguiente lanzamiento del cohete no tuvo lugar hasta el 27 de diciembre de 2019, exactamente 908 días después del accidente. Como resultado, entre otras cosas, la fecha de inicio de la sonda lunar Chang'e 5 , que originalmente estaba programada para fines de 2019, se pospuso para fines de 2020. La construcción de la estación espacial modular también se retrasó.

YF-100

En relación con el proyecto discutido en ese momento para el desarrollo de un vehículo de lanzamiento pesado (el actual Changzheng 5), el instituto de investigación de Xi'an para la propulsión espacial comenzó a trabajar en el potente motor YF-100 a principios de 2000. El YF-100 debería funcionar de acuerdo con el método de flujo principal y funcionar con una combinación de combustible diergolen de queroseno de cohete y oxígeno líquido . A nivel del mar, debería entregar un empuje de 1200 kN.

YF-100K

Este nuevo desarrollo inicialmente tuvo que lidiar con grandes dificultades: de los primeros cuatro motores producidos, dos explotaron en el banco de pruebas y dos se incendiaron. Los ingenieros tardaron casi medio año en encontrar la causa del mal funcionamiento. Usando simulación por computadora, elaboraron una secuencia de encendido mejorada para el motor y, a partir de ese momento, funcionó sin problemas. El 30 de octubre de 2005, se llevó a cabo la primera prueba a largo plazo de 300 segundos de un prototipo en el banco de pruebas para motores deflectables en el Instituto de Pruebas de Propulsión Espacial de Xi'an en el condado de Feng. De este modo, se superó significativamente el tiempo de combustión de 173 segundos previsto para el uso regular en los propulsores de Changzheng . A la prueba asistieron Zhang Yunchuan (张云川, * 1946), jefe de la Comisión de Ciencia, Tecnología e Industria para la Defensa Nacional , así como Chen Deming (陈德铭, * 1949), gobernador de la provincia de Shaanxi y otras celebridades.

Después de que el instituto de investigación de Xi'an produjo un total de 61 copias del motor y lo probó en una amplia variedad de formas, el YF-100 fue aprobado el 28 de mayo de 2012 por la autoridad nacional de ciencia, tecnología e industria en el defensa nacional . A diferencia de los motores de la serie 70, el YF-100 tiene una sola turbina, que impulsa tanto la bomba de oxígeno como la de queroseno a través de un eje común; la regulación de la mezcla de combustible (2,7 ± 10%) se realiza únicamente a través de válvulas. El vector de empuje también se controla de manera diferente a lo habitual Originalmente, el plan era montar el pre-quemador y la bomba turbo firmemente en la cámara de combustión y girar todo el motor. Con el fin de reducir la masa en reposo a ser movido, sin embargo, esto fue cambiado a un pivotamiento post-bomba como con el YF-100K en la imagen adyacente, donde los cilindros hidráulicos operados con queroseno como hidráulico fluido adjuntar al borde superior de la boquilla y esto por hasta 8 ° de desvío de la vertical. En los propulsores del Changzheng 5 , Changzheng 7 y Changzheng 8 , el motor solo se puede girar alrededor de un eje, cuando se usa en la etapa central del Changzheng 7 o Changzheng 8 alrededor de dos ejes.

La boquilla del YF-100 tiene un diámetro de 1,34 m en el borde inferior. A nivel del mar, el motor genera un empuje de 1224 kN y entrega un impulso específico de 300 s. Para uso en la segunda etapa del Changzheng 6 y Changzheng 7 hay una versión más pequeña, el YF-115 cm con un diámetro de boquilla de 97, un empuje de vacío de 180 kN y un impulso específico de 342 s. Para el propulsor del cohete tripulado de nueva generación , que en 2025 su primer vuelo, se desarrolló la versión YF-100K. La tobera de este motor tiene un diámetro de 1,15 m en el borde inferior, genera un empuje de 785 kN a nivel del mar y entrega un impulso específico de 304 s.

Motores LOX / metano

Como alternativa económica a los motores de hidrógeno / oxígeno, el Instituto de Investigación de Pekín para la Propulsión Espacial ha estado trabajando durante algún tiempo en un motor reutilizable que funciona según el proceso de flujo de derivación con un empuje de 600 kN al nivel del mar, el oxígeno líquido y el metano. en una proporción de mezcla de 2,88 como combustible utilizado. El comportamiento de combustión del metano gaseoso con oxígeno líquido y del metano líquido con oxígeno líquido se estudió en varios experimentos con modelos reducidos y componentes individuales. El primer prototipo del motor corrió a partir de enero de 2011 en cuatro pruebas por un total de 67 segundos. En septiembre de 2015, se inició y apagó una versión mejorada 13 veces y se ejecutó durante 2103 segundos. Para junio de 2016, ese motor había arrancado 17 veces, estuvo en funcionamiento durante un total de 2173 segundos. En 10 de estas pruebas, el motor funcionó continuamente durante 200 segundos cada uno. Este motor está destinado a ser utilizado en misiles reutilizables en el futuro .

Además, el Instituto de Beijing también está desarrollando un motor LOX / metano más pequeño con un empuje de 30 kN que funciona de acuerdo con el proceso de expansión. Con alta confiabilidad, alta eficiencia y bajos costos, este motor está destinado a ser utilizado en las etapas superiores de cohetes, motores de apogeo y para complicadas maniobras en órbita. El 15 de septiembre de 2020, un prototipo del motor pasó una prueba exitosa en el banco de pruebas por primera vez.

enlaces web

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