一箭穿云驚浩宇，九天攬月燦星河
——長征系列液體運載火箭的四大看點之《氫氧發(fā)動機篇》
話說中國的液體火箭發(fā)動機，最早要追溯到1960年代的東風-1短程彈道導(dǎo)彈。1957年，蘇聯(lián)贈送給中國2枚R-2型導(dǎo)彈，我方將1枚留作研究，另1枚投入測繪仿制，發(fā)展中國自己的第一個彈道導(dǎo)彈型號：東風-1。1960年11月5日，東風-1試射成功，最大射程600公里，彈重20.5噸。這東風-1采用的就是單級液體火箭發(fā)動機，氧化劑為液氧，推進劑為酒精。
真的，純酒精哦。因此還引出一件趣事：眾所周知，俄羅斯戰(zhàn)斗民族同時也是伏特加的超級粉絲團，為此還發(fā)生過在華蘇聯(lián)軍事專家偷喝R2/東風-1導(dǎo)彈燃料酒精的故事。有興趣的同學(xué)，可以去搜科羅廖夫同志的趣文。
后來，中國逐步研制了一系列航天用途的液體火箭發(fā)動機，代號均為YF(即“液體”和“發(fā)動機”兩個詞的拼音首字母)。從推進劑方案來看，包括以下四個分支：
分支一：硝酸-27S（HNO3-27S）+偏二甲肼UDMH
-25-30噸級推力的YF-1,YF-1,YF-3；
-100噸級的YF-2，YF-2A等等
（注意：YF-2/A由四臺YF-1捆綁而成，因此實際上不能算是一種獨立的發(fā)動機型號）。
分支二、四氧化二氮N?O?+偏二甲肼UDMH
70噸級推力的YF-20，YF-20B，YF-21，YF21B，YF-22，YF-22B，YF-24，等等。
這個分支有一點很值得一提。其中YF-22型號，1965年開始研制，歷時十七年，于1982年設(shè)計定型，是我國用于東風某型洲際彈道導(dǎo)彈（你懂得）第一級和第二級的型號發(fā)動機。該發(fā)動機進行了累計73780秒的各類型試車，經(jīng)歷了大推力（額定推力的117%）和長程（額定工作時間的500%）可靠性試車的考驗。其性能可靠性大于95%, 結(jié)構(gòu)可靠性大于99.9%, 壽命下限為額定工作時間的3倍以上, 具有當時世界同類產(chǎn)品的先進水平。該型洲際彈道導(dǎo)彈一級采用四單機關(guān)聯(lián), 并可實現(xiàn)切向搖擺, 使中國導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和穩(wěn)定控制技術(shù)達到了當時的世界先進水平。該型洲際彈道導(dǎo)彈二級也采用與一級相同的一臺單機，即“ 一代二”的兩級用一發(fā)方案, 這樣縮短了研制周期。YF-22的改型發(fā)動機YF-22D用于改型洲際彈道導(dǎo)彈，于1993年6月2日發(fā)射成功。其民用版發(fā)動機則首先應(yīng)用于長征四號運載火箭, 于1988年9月7日首次飛行成功，把中國風云一號太陽同步衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。
這個分支的液體火箭發(fā)動機, 經(jīng)過了數(shù)十年的研制歷程，成為中國大型彈道導(dǎo)彈和航天發(fā)射的主力發(fā)動機。雖然中國其他新型洲際彈道導(dǎo)彈的燃料已經(jīng)逐步固體化，但民用航天發(fā)射至今仍然采用該類型的液體發(fā)動機。而且，在過去的所有飛行發(fā)射試驗中, 這個系列的液體火箭發(fā)動機保持了極高的成功率。
介紹了前兩個分支，下面就是我們此篇文章的重點——氫氧發(fā)動機。
分支三：液氧LH2+液氫LOX
氫氧發(fā)動機，采用252℃的液氫和零下183℃的液氧分別作為燃料和氧化劑，因此是名符其實的低溫發(fā)動機。采用這樣低溫發(fā)動機的火箭，因此被稱為“冰箭”。中國氫氧發(fā)動機的主要型號如下：
YF-73，真空推力4.5噸力，真空比沖425秒、總工作時間750秒。1984年首發(fā)，用于長征三號運載火箭第3級動力。
YF-75: 真空推力8噸，真空比沖438秒。1994年首發(fā)，用于長征3號甲、長征3號乙及長征3號丙運載火箭第3級。其改型YF-75D于2006年開始研制，2014年進入驗收階段，準備用于長征5號的二級動力。
YF-77：真空推力約70噸，真空比沖約430秒，發(fā)動機500秒長程熱試車已經(jīng)成功，準備用于長征5號的芯一級動力。
YF-77，也是今年長征5號發(fā)射的一大看點。筆者以為，這甚至是今年長征系列新箭發(fā)射最值得關(guān)注的一點。
為什么呢？
首先，氫氧發(fā)動機的研制，一直是中國液體發(fā)動機最大的一個短板。中國到現(xiàn)在，真正成熟的產(chǎn)品也就是8噸級的YF-75。長征5號將要用在芯一級的這款YF77,在推力指標上相當于YF-75的9倍，技術(shù)進步有跨代之感，自然值得關(guān)注。
另一方面，也許正是因為這樣大幅度的進步，YF-77從2001年立項歷經(jīng)十年研制，進程坎坷不斷。2004年6月18日首次全系統(tǒng)試車。
2007年就先后四次500秒長程試車失敗，官方評論為“國內(nèi)外都罕見的重大技術(shù)障礙”、“缺乏大推力氫氧發(fā)動機的研制和工程經(jīng)驗，其研制難度（比YF-100）要大得多”。
一直到2012年8月17日500秒長程熱試車試驗成功，YF-77發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)才獲得艱難突破，此時距離立項已經(jīng)過去11年，而此時累計試車只有22000秒，比同類發(fā)動機40000-60000秒的試車時間差的很遠。
該型發(fā)動機在十余年的研制過程中，全面突破的關(guān)鍵核心技術(shù)達12個大項、200多個小項。足見其研發(fā)之路的艱辛程度，如何不令人格外關(guān)注。
對比之下，幾乎同時立項研發(fā)的YF-100液氧/煤油發(fā)動機，2006年已經(jīng)成功進行首次600秒長程試車（所需額定工作時間只有150秒）。
2011年9月，以3臺發(fā)動機驗收成功為標志，六院已經(jīng)研制120噸級基本型液氧煤油發(fā)動機數(shù)十臺，累計試車超過32000秒。截至2013年8月，YF-100試車已超過上百次，累計點火工作時間已超過40000秒。
YF-100的順利研制，使得六院曾經(jīng)認為2014年長征5號可以首發(fā)，結(jié)果至今卻延宕了2年。直到2015年3月23日，YF-77作為長征5號芯一級動力系統(tǒng)第二次試車成功，才讓研制方松了一口氣。
因為唯有如此，長征5號才能轉(zhuǎn)入發(fā)射場合練走向首飛。因此，網(wǎng)上曾經(jīng)詬病YF-100不給力造成長5的2014年首發(fā)打臉。其實，是開發(fā)進度不穩(wěn)定的YF-77拖了長5首發(fā)全狀態(tài)達標的后腿，才是真的。
還沒上天的YF-77，其70噸的真空推力雖然已經(jīng)比YF-75幾乎高了一個數(shù)量級，但與國際主流液氫/液氧發(fā)動機相比，還是有巨大差距。比如，
日本H-IIA/B火箭上LE-7A的真空推力112噸；
歐洲阿麗亞娜5的火神2 （Vulcain2）的真空推力137噸；
蘇聯(lián)1980年代研制成功150噸級的RD-0120液氫液氧發(fā)動機；
2000年代研制成功200噸級的RD-10120液氫液氧發(fā)動機
美國1960年達研制百噸級的J2氫氧發(fā)動機
用于美國航天飛機的SSME氫氧發(fā)動機推力達到了213噸
2002年首發(fā)的美國德爾塔4火箭的RS-68的真空推力344噸
用于登陸火星的SLS火箭動力RS-25發(fā)動機，在2015年已經(jīng)進行了500
秒和650秒長程點火試驗，預(yù)計2018-2020年發(fā)射。
就連軍迷們一直不屑一顧的阿三，也在這方面的實際應(yīng)用上暫時領(lǐng)先中國。2014年1月5日，印度空間組織在安得拉邦航天中心成功發(fā)射GSLV-D5運載火箭。
該火箭的第三級首次成功應(yīng)用了印度國產(chǎn)氫氧火箭發(fā)動機CE-20，使印度成為美、俄、歐、日、中之后，世界第六個具備低溫火箭發(fā)動機技術(shù)的國家。而且印度的氫氧發(fā)動機首次出手就很有檔次，其推力達到了20噸，超過中國8噸級的YF-75一倍還多。
那么，人們不禁要問，除了70噸級的YF-77，中國還有沒有更大的液氫/液氧發(fā)動機呢？
中國重型液氫/液氧發(fā)動機規(guī)劃
根據(jù)中國航天科技集團《2011年度社會責任報告》，中國未來將發(fā)展重型液氫液氧發(fā)動機：即推力200噸級，真空推力為2460千牛、真空比沖為425秒的液體發(fā)動機。該型發(fā)動機預(yù)計2030年將用于長征9號重型運載火箭的二級級動力。
其技術(shù)難點如下：
1 大推力發(fā)動機高空點火與啟動技術(shù)：需要合理分配發(fā)動起起動能量，安全可靠點火，平穩(wěn)快速進入額定工況。如果點火和起動不當，會出現(xiàn)爆轟、壓力峰甚至起動失敗。需要進行理論與仿真計算、真空點火試驗。
點評：液體發(fā)動機能夠靈活多次點火起動，是對固體發(fā)動機的主要優(yōu)勢之一（有些小型脈沖式液體發(fā)動機甚至可以開關(guān)機25萬次以上）。這有利于航天器推力-時間曲線的有效控制，對姿態(tài)和軌道調(diào)整是必須的，也是未來深空探測和載人航天技術(shù)的重要一環(huán)。
但是液體發(fā)動機的點火時間比較長，有的甚至達到幾秒鐘。氫氧低溫發(fā)動機起動時，還要先用液氫降溫預(yù)冷，達到工作狀態(tài)后才能真正點火。點火之后，在零點幾秒內(nèi)，發(fā)動機從0轉(zhuǎn)速加速到每秒幾萬轉(zhuǎn)。
燃燒組件從環(huán)境溫度達到3000-4000℃，起動過程的每個指令都必須精確到百分之幾秒，甚至千分之幾秒。而且非自燃推進劑還一個單獨的點火系統(tǒng)，比如不容易點燃卻容易爆炸的液氧/甲烷發(fā)動機，點火系統(tǒng)堪稱其核心技術(shù)。
2 發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化技術(shù)：確保發(fā)動機結(jié)構(gòu)頻率和動態(tài)剛度要求，且布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、維護性好。需要數(shù)字仿真技術(shù)并設(shè)置高壓液路補償措施。
點評：200噸級發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，不是70噸級的簡單放大。推進劑和燃料的混合比調(diào)節(jié)裝置、補償液路的管路布局等，大尺寸發(fā)動機振動控制和應(yīng)力控制，都為結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計帶來了不小的難度。
3 大熱流、高效、穩(wěn)定燃燒推力室技術(shù)：需采用多種綜合技術(shù)措施抑制高頻不穩(wěn)定燃燒。需在身部與噴管上段再生冷卻、噴管下段引入燃氣冷卻和輻射冷卻相結(jié)合的方案，保證發(fā)動機可靠工作。
點評：推力室由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成，火箭推進劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等過程生成燃燒產(chǎn)物，以高速2500-5000米/秒的高速從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。
高頻橫向不穩(wěn)定燃燒（和低頻縱向不穩(wěn)定燃燒）是推力室正常工況的大敵，控制難度較大。而推力室中的燃燒室，內(nèi)壓力可達20MPa，溫度為3000-4000℃。因此有效冷卻是推力室持續(xù)工作的要求。這兩點是推力室技術(shù)的要害。
4 超大尺寸、高效、輕質(zhì)噴管技術(shù)：大面積比噴管延伸段出口直徑大，是世界上尺寸最大的氫氧發(fā)動機噴管（原文如此）。采用分段設(shè)計和制造技術(shù)，分為輕質(zhì)合金再生冷卻和超大尺寸單壁渦輪排氣冷卻兩段。
點評：這樣的分段設(shè)計提高了冷卻效率和降低了生產(chǎn)加工難度。但對噴管的應(yīng)力控制和結(jié)構(gòu)強度可能會產(chǎn)生不利的影響。如果分段的材料性質(zhì)有差異，更需要注意溫度變化帶來的影響。
5 低溫、高效高抗汽蝕渦輪泵技術(shù)：泵入口壓力低、效率高、轉(zhuǎn)速高、溫度低。采用高抗汽蝕誘導(dǎo)輪和新型低溫、低泄漏組合式動密封技術(shù)，提高渦輪泵性能。
點評：渦輪泵由氣體渦輪、燃料泵和氧化劑泵等組成。由渦輪帶動泵，將來自貯箱的推進劑的壓力由不足1兆帕提高到20兆帕，然后再送入發(fā)動機推力室。高性能渦輪泵可以將海水從海平面打到5000米高。據(jù)說YF-77就曾因為渦輪泵的質(zhì)量問題影響了研制進度。高性能渦輪泵是液體發(fā)動機研制的核心技術(shù)之一。
6 制造與試驗技術(shù)：大尺寸銀鋯銅餅材料與成型、高DN值混合陶瓷球軸承制造、高強度渦輪盤、大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金和高溫合金精密鑄造、增強型鈦合金異型材成型、高強度大尺寸特征合金薄壁管等新材料新工藝技術(shù)亟需攻關(guān)。需要發(fā)展高空模擬實驗技術(shù)、試驗臺基礎(chǔ)設(shè)施和火焰導(dǎo)流防護技術(shù)。
點評：材料、設(shè)備、工藝、試驗……道道難關(guān)，層出不窮，這就是考驗中國航天工業(yè)基礎(chǔ)功力的型號，其意義非同一般。
看看這些不明覺厲的高大上技術(shù)難題，回過頭來，客觀地說，如果應(yīng)用YF-77的長征5號以及后續(xù)火箭發(fā)射順利，將證明中國已經(jīng)跨過了大型液氫/液氧發(fā)動機研制的初級門檻。雖然前路遙遠，但可以為14年后的200噸級氫氧機首發(fā)打下一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
反之，如果遇到發(fā)射問題，或者即使發(fā)射成功但技術(shù)狀態(tài)不穩(wěn)定，則氫氧發(fā)動機的這塊短板，就將還是壓在中國航天人心頭的一座大山。
