火箭發動機,人類玩火的極致(八)——克服重重困難 長徵五號復飛成功

【文/科工力量 柳葉刀】

在長徵五號火箭研製之前，中國的長徵系列運載火箭一直是在已有的技術基礎上進行改進，核心部件火箭發動機推力沒有質的提升，增大火箭的推力與射程，只能依靠加裝助推器與火箭的級數。老舊的火箭使用有毒的四氧化二氮與偏二甲肼推進劑，劇毒且汙染環境。

為全面提高中國運載火箭的整體水平和能力，中國急需一種大推力、高可靠、低成本、無毒、無汙染的運載火箭。新火箭還需具備模塊化設計，可根據不同模塊組裝成不同推力的火箭。長徵五號火箭就是在這種背景下進行研製的。

改造老舊型號火箭  長徵三、四號推力性能無本質提升

自20世紀70年代以來，中國一直依靠「長徵二號、長徵三號、長徵四號」運載火箭及其改進型來完成大部分軌道發射任務。如果追溯技術源頭，這三型火箭都源自1971年首飛的東風5號洲際彈道飛彈（兩級液體火箭）。

「長徵三號」運載火箭是以「長徵二號」運載火箭為基礎進行研製的，主要關鍵技術在火箭的第三級（上面級）。第三級火箭首次採用低溫液氧/液氫推進劑，液氧的沸點溫度在-183℃，液氫沸點溫度更低為-253℃，在這樣低的溫度下，有許多難題需要克服。

該型火箭的第一級安裝四臺YF-21發動機，第二級是一臺YF-24發動機（即：YF-22主發動機+四燃燒室YF-23遊動發動機），這樣的火箭一、二級設計與長徵二號類似，變化不大。

長徵三號運載火箭第三級所使用的YF-73氫氧發動機，由1臺渦輪泵和4個獨立的推力室並聯組成，4個推力室同在一個圓周，呈「十」字形安裝在發動機機架上，每個推力室都可沿圓周切向擺動，以控制飛行姿態，可以兩次點火工作。

「長徵三號」第三級YF-73發動機，由1臺渦輪泵和4個獨立的推力室並聯，渦輪泵排氣加熱氫氣和氦氣，分別給氫、氧貯箱增壓

YF-73發動機結構圖，採用開式循環，四個燃燒室推進劑由一臺渦輪泵驅動

「長徵三號甲」第三級YF-75氫氧發動機，通過機架並聯兩臺該型發動機使用，發動機可雙向擺動，YF-75是繼YF-73之後的中國第二代低溫發動機

作為發射地球同步軌道衛星的備份火箭，上海航天局自1974年起，用了10年的時間成功研製了「長徵四號甲」和「長徵四號乙」運載火箭。

與長徵三號思路相似，長徵四號火箭也是在「長徵二號」的基礎上增加一個第三級形成的，一級和二級繼承了「長徵二號」和「長徵二號丙」成熟的技術，但與長徵三號不同的是，增加的火箭第三級使了與一、二級相同的常溫液體推進劑（偏二甲肼/四氧化二氮），動力為兩臺YF-40發動機，可雙向擺動。

YF-40發動機

攻克大推力發動機技術難題  研製長徵五號運載火箭

「長徵五號」早於1986年在「863計劃」支持下開展了前期的論證，但那時的中國航天工業還不具備生產大推力火箭發動機的能力，這意味著大推力火箭只能存在於概念中。不過，這種情況在90年代初發生了改變，當時中國獲得了俄羅斯RD-120發動機成品（可能還有設計文件），RD-120就採用了先進的高壓補燃循環技術。

高壓補燃循環，預燃室中氧氣充足，排氣驅動渦輪泵後，全部注入燃燒室

21世紀初，國內開始研製兩種大推力火箭發動機：基於RD-120技術的120噸推力液氧/煤油發動機YF-100和50噸推力液氧/液氫發動機YF-77。

實際上，YF-100和YF-77在研發的過程中都遭遇了重大挑戰，導致了長徵五號發展的重大延遲，中國航天業花了近20年的時間才消化完RD-120技術，並給出自己的設計。使中國成為既俄羅斯之後，成為世界上第二個掌握高壓補燃循環發動機技術的國家。

YF-100發動機，基於俄羅斯RD-120發動機技術，採用液氧/煤油推進劑，使用高壓補燃循環技術，長徵五號助推器動力，半個世紀前，美國土星五號運載火箭採用F-1發動機，地面推力約690噸，相當於5臺YF-100發動機

YF-77火箭發動機，採用液氧/液氫推進劑，YF-77火箭發動機採用開式循環，預燃室產生的燃氣，分別驅動燃料泵和渦輪泵（這樣的設計是考慮到密封性問題，防止氫氣與氧氣接觸，產生爆炸），驅動渦輪後的廢氣直接排到發動機外面

中國航天科技集團公司和國防科工委於2001年開始對下一代運載火箭進行初步研究，該計劃不只是發展一個新的運載火箭，還包括對整個空間基礎設施進行廣泛的升級，在天津建造新的運載火箭和宇宙飛船製造和測試工廠，在海南島建造一個新的發射場，並建造用於兩地轉運火箭設備的海上運輸船。

長徵五號的設計任務被分配給中國運載火箭技術研究院（即中國航天科技集團第一研究院），該火箭是一種全新的設計，採用了以前長徵火箭設計所沒有的一系列新技術，包括新的發動機、數字飛行控制系統、新的焊接技術等。

長徵五號系列實行模塊設計，由直徑為5米、3.35米和2.25米的三種模塊構成。其中5米模塊包含兩臺50噸級YF-77發動機（芯一級）或兩臺9噸級YF-75D發動機（芯二級），3.35米模塊包含兩臺120噸級YF-100發動機，2.25米模塊包含一臺120噸級YF-100發動機。

模塊化設計的好處是可以根據需要，把不同模塊組裝成不同推力的火箭，以執行不同的任務。例如長徵五號運載火箭系列中最強的型號，以兩個5米模塊主推進器，另配4個3.35米模塊助推器。

經歷種種坎坷 長徵五號再次屹立海南文昌

長徵五號作為中國新一代重型運載火箭發射系統，與歐洲的阿里安5型（Ariane 5）和美國的德爾塔IV型（Delta IV）重型火箭的性能並肩。該型運載火箭的設計目的主要是將商業衛星、空間站模塊和深空探測器送入軌道。

2016年11月3日，長徵五號遙一火箭搭載實踐十七號衛星，在海南文昌發射成功，但發射過程中二級故障提前關機，但上面級通過延長燃燒時間成功把衛星送入預定軌道。火箭採用「遠徵二號」上面級，其動力為兩臺YF-50D發動機，推進劑為四氧化二氮與偏二甲肼。

此次採用芯一級兩臺50噸級氫氧發動機與四枚助推器各兩臺120噸級液氧煤油發動機組合起飛方案，10臺發動機同時點火，起飛推力達1060噸。距離美國土星五號的近3000噸起飛推力，還存在一定差距。

長徵五號底部發動機布局

2017年7月2日，長徵五號遙二火箭搭載實踐十八號衛星，因為一級故障，發射失敗。公開資料顯示，發射失利原因是，兩臺YF-77芯一級液氫液氧發動機其中一臺出現了異常。

此前，天津航天長徵火箭製造有限公司總經理陶鋼接受記者採訪時表示，通過對故障的定位、分析，已經查明原因，而且採取了有效措施。如今，長徵五號遙三火箭又屹立在海南文昌發射場。

助力「長徵九號」載人登月  500噸級發動機研製工作不斷推進

國內早已經意識到自己在大推力火箭發動機研製方面的落後，除了確保「長徵五號」計劃順利進行，還正著手研製單臺推力達500噸的液氧煤油機及單臺推力為200噸的氫氧機，這兩型發動機，將是負責中國載人登月、火星考察的「長徵九號」重型運載火箭的主力發動機。

從左至右依次為：土星五號、美國新一代SLS火箭、長徵九號、美國藍色起源公司的New Glenn火箭、SpaceX公司的Starship火箭

今年3月，由中國航天科技集團六院研製的500噸液氧煤油發動機燃氣發生器-渦輪泵聯動試驗取得成功。

目前，世界上超過500噸級液體火箭發動機僅有兩款，一款是美國F-1火箭發動機，這是美國阿波羅登月的土星五號運載火箭的芯一級動力。另一款是俄羅斯的RD-170，這是迄今為止推力最大的火箭發動機，最大推力達到840噸，不過包含四個燃燒室。

去年11月份，在珠海航展上，俄羅斯動力機械科研生產聯合體展示了RD-180火箭發動機（RD-170的燃燒室減半）。該公司的總經理伊戈爾·阿爾布佐夫在接受記者採訪時表示，希望中國可以引進RD-180發動機。因為RD-180推力達400噸，可以滿足當前的載人登月任務需求。

RD-180發動機，雙燃燒室

冷戰結束後，美國航天部門的預算大幅削減，急需一款性能穩定價格便宜的火箭發動機，所以俄羅斯的RD-180發動機成為美國航天部門採購的對象。2018年1月，據Ars Technica（美國一家從事技術新聞深度報導的網站）報導，自2014年克裡米亞危機以來，美國國會一直加大對本國航空航天業的壓力，要求其終止使用俄羅斯生產的火箭發動機。一些議員要求聯合發射聯盟公司在其「宇宙神V號」運載火箭中停止使用俄制RD-180發動機。

聯合發射聯盟公司計劃在下一個10年初期過渡到使用美國國產發動機，採用其他已經飛行或很快就要上線的美國火箭，俄制RD-180發動機的製造商正在尋求別的市場。Ars Technica報導稱，中國對這一發動機感興趣，但不想購買成品發動機，而是希望獲得生產技術許可。

美國開始棄用RD-180發動機，俄羅斯開始同中國商談火箭發動機領域的合作。不過，隨著中國自己的500噸級火箭發動機的研發不斷推進，可能意味著中國不需要引進俄羅斯的RD-180。

結束語

1990到2010年之間，中國將有限的航天資金，集中在載人航天（神舟與天宮系列）與探月工程項目上，具體到運載火箭分系統的研製上，主要是對長徵二號、三號液體火箭的進行改進，但推力性能無本質提升。

為全面提高中國火箭的整體性能，通過多年技術攻堅，作為長徵五號運載火箭動力的YF-100、YF-77大推力發動機早已研製成功。如今，克服此前發射失利的長徵五號，又一次屹立在海南文昌發射基地，成功復飛。但是，長徵五號並非中國航天的終點，更強大的長徵九號重型運載火箭搭載著「載人登月」夢想，也已離我們不遠。

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