一箭穿云驚浩宇，九天攬?jiān)聽N星河
——長(zhǎng)征系列液體運(yùn)載火箭的四大看點(diǎn)之《氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)篇》
話說中國(guó)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，最早要追溯到1960年代的東風(fēng)-1短程彈道導(dǎo)彈。1957年，蘇聯(lián)贈(zèng)送給中國(guó)2枚R-2型導(dǎo)彈，我方將1枚留作研究，另1枚投入測(cè)繪仿制，發(fā)展中國(guó)自己的第一個(gè)彈道導(dǎo)彈型號(hào)：東風(fēng)-1。1960年11月5日，東風(fēng)-1試射成功，最大射程600公里，彈重20.5噸。這東風(fēng)-1采用的就是單級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，氧化劑為液氧，推進(jìn)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(shí)也是伏特加的超級(jí)粉絲團(tuán)，為此還發(fā)生過在華蘇聯(lián)軍事專家偷喝R2/東風(fēng)-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(guó)逐步研制了一系列航天用途的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，代號(hào)均為YF(即“液體”和“發(fā)動(dòng)機(jī)”兩個(gè)詞的拼音首字母)。從推進(jìn)劑方案來看，包括以下四個(gè)分支：
分支一：硝酸-27S（HNO3-27S）+偏二甲肼UDMH
-25-30噸級(jí)推力的YF-1,YF-1,YF-3；
-100噸級(jí)的YF-2，YF-2A等等
（注意：YF-2/A由四臺(tái)YF-1捆綁而成，因此實(shí)際上不能算是一種獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)）。
分支二、四氧化二氮N?O?+偏二甲肼UDMH
70噸級(jí)推力的YF-20，YF-20B，YF-21，YF21B，YF-22，YF-22B，YF-24，等等。
這個(gè)分支有一點(diǎn)很值得一提。其中YF-22型號(hào)，1965年開始研制，歷時(shí)十七年，于1982年設(shè)計(jì)定型，是我國(guó)用于東風(fēng)某型洲際彈道導(dǎo)彈（你懂得）第一級(jí)和第二級(jí)的型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了累計(jì)73780秒的各類型試車，經(jīng)歷了大推力（額定推力的117%）和長(zhǎng)程（額定工作時(shí)間的500%）可靠性試車的考驗(yàn)。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(shí)間的3倍以上, 具有當(dāng)時(shí)世界同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。該型洲際彈道導(dǎo)彈一級(jí)采用四單機(jī)關(guān)聯(lián), 并可實(shí)現(xiàn)切向搖擺, 使中國(guó)導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和穩(wěn)定控制技術(shù)達(dá)到了當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平。該型洲際彈道導(dǎo)彈二級(jí)也采用與一級(jí)相同的一臺(tái)單機(jī)，即“ 一代二”的兩級(jí)用一發(fā)方案, 這樣縮短了研制周期。YF-22的改型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)則首先應(yīng)用于長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭, 于1988年9月7日首次飛行成功，把中國(guó)風(fēng)云一號(hào)太陽同步衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道。
這個(gè)分支的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī), 經(jīng)過了數(shù)十年的研制歷程，成為中國(guó)大型彈道導(dǎo)彈和航天發(fā)射的主力發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然中國(guó)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(dòng)機(jī)。而且，在過去的所有飛行發(fā)射試驗(yàn)中, 這個(gè)系列的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)保持了極高的成功率。
介紹了前兩個(gè)分支，下面就是我們此篇文章的重點(diǎn)——?dú)溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)。
分支三：液氧LH2+液氫LOX
氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)。采用這樣低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭，因此被稱為“冰箭”。中國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的主要型號(hào)如下：
YF-73，真空推力4.5噸力，真空比沖425秒、總工作時(shí)間750秒。1984年首發(fā)，用于長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭第3級(jí)動(dòng)力。
YF-75: 真空推力8噸，真空比沖438秒。1994年首發(fā)，用于長(zhǎng)征3號(hào)甲、長(zhǎng)征3號(hào)乙及長(zhǎng)征3號(hào)丙運(yùn)載火箭第3級(jí)。其改型YF-75D于2006年開始研制，2014年進(jìn)入驗(yàn)收階段，準(zhǔn)備用于長(zhǎng)征5號(hào)的二級(jí)動(dòng)力。
YF-77：真空推力約70噸，真空比沖約430秒，發(fā)動(dòng)機(jī)500秒長(zhǎng)程熱試車已經(jīng)成功，準(zhǔn)備用于長(zhǎng)征5號(hào)的芯一級(jí)動(dòng)力。
YF-77，也是今年長(zhǎng)征5號(hào)發(fā)射的一大看點(diǎn)。筆者以為，這甚至是今年長(zhǎng)征系列新箭發(fā)射最值得關(guān)注的一點(diǎn)。
為什么呢？
首先，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，一直是中國(guó)液體發(fā)動(dòng)機(jī)最大的一個(gè)短板。中國(guó)到現(xiàn)在，真正成熟的產(chǎn)品也就是8噸級(jí)的YF-75。長(zhǎng)征5號(hào)將要用在芯一級(jí)的這款YF77,在推力指標(biāo)上相當(dāng)于YF-75的9倍，技術(shù)進(jìn)步有跨代之感，自然值得關(guān)注。
另一方面，也許正是因?yàn)檫@樣大幅度的進(jìn)步，YF-77從2001年立項(xiàng)歷經(jīng)十年研制，進(jìn)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(zhǎng)程試車失敗，官方評(píng)論為“國(guó)內(nèi)外都罕見的重大技術(shù)障礙”、“缺乏大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和工程經(jīng)驗(yàn)，其研制難度（比YF-100）要大得多”。
一直到2012年8月17日500秒長(zhǎng)程熱試車試驗(yàn)成功，YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)才獲得艱難突破，此時(shí)距離立項(xiàng)已經(jīng)過去11年，而此時(shí)累計(jì)試車只有22000秒，比同類發(fā)動(dòng)機(jī)40000-60000秒的試車時(shí)間差的很遠(yuǎn)。
該型發(fā)動(dòng)機(jī)在十余年的研制過程中，全面突破的關(guān)鍵核心技術(shù)達(dá)12個(gè)大項(xiàng)、200多個(gè)小項(xiàng)。足見其研發(fā)之路的艱辛程度，如何不令人格外關(guān)注。
對(duì)比之下，幾乎同時(shí)立項(xiàng)研發(fā)的YF-100液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，2006年已經(jīng)成功進(jìn)行首次600秒長(zhǎng)程試車（所需額定工作時(shí)間只有150秒）。
2011年9月，以3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收成功為標(biāo)志，六院已經(jīng)研制120噸級(jí)基本型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)十臺(tái)，累計(jì)試車超過32000秒。截至2013年8月，YF-100試車已超過上百次，累計(jì)點(diǎn)火工作時(shí)間已超過40000秒。
YF-100的順利研制，使得六院曾經(jīng)認(rèn)為2014年長(zhǎng)征5號(hào)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(zhǎng)征5號(hào)芯一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)第二次試車成功，才讓研制方松了一口氣。
因?yàn)槲ㄓ腥绱?，長(zhǎng)征5號(hào)才能轉(zhuǎn)入發(fā)射場(chǎng)合練走向首飛。因此，網(wǎng)上曾經(jīng)詬病YF-100不給力造成長(zhǎng)5的2014年首發(fā)打臉。其實(shí)，是開發(fā)進(jìn)度不穩(wěn)定的YF-77拖了長(zhǎng)5首發(fā)全狀態(tài)達(dá)標(biāo)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(gè)數(shù)量級(jí)，但與國(guó)際主流液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)的RD-0120液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)；
2000年代研制成功200噸級(jí)的RD-10120液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)
美國(guó)1960年達(dá)研制百噸級(jí)的J2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)
用于美國(guó)航天飛機(jī)的SSME氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到了213噸
2002年首發(fā)的美國(guó)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(dòng)力RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，在2015年已經(jīng)進(jìn)行了500
秒和650秒長(zhǎng)程點(diǎn)火試驗(yàn)，預(yù)計(jì)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(shí)際應(yīng)用上暫時(shí)領(lǐng)先中國(guó)。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(yùn)載火箭。
該火箭的第三級(jí)首次成功應(yīng)用了印度國(guó)產(chǎn)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CE-20，使印度成為美、俄、歐、日、中之后，世界第六個(gè)具備低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國(guó)家。而且印度的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)首次出手就很有檔次，其推力達(dá)到了20噸，超過中國(guó)8噸級(jí)的YF-75一倍還多。
那么，人們不禁要問，除了70噸級(jí)的YF-77，中國(guó)還有沒有更大的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)呢？
中國(guó)重型液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)劃
根據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)《2011年度社會(huì)責(zé)任報(bào)告》，中國(guó)未來將發(fā)展重型液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)：即推力200噸級(jí)，真空推力為2460千牛、真空比沖為425秒的液體發(fā)動(dòng)機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)2030年將用于長(zhǎng)征9號(hào)重型運(yùn)載火箭的二級(jí)級(jí)動(dòng)力。
其技術(shù)難點(diǎn)如下：
1 大推力發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火與啟動(dòng)技術(shù)：需要合理分配發(fā)動(dòng)起起動(dòng)能量，安全可靠點(diǎn)火，平穩(wěn)快速進(jìn)入額定工況。如果點(diǎn)火和起動(dòng)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)爆轟、壓力峰甚至起動(dòng)失敗。需要進(jìn)行理論與仿真計(jì)算、真空點(diǎn)火試驗(yàn)。
點(diǎn)評(píng)：液體發(fā)動(dòng)機(jī)能夠靈活多次點(diǎn)火起動(dòng)，是對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)之一（有些小型脈沖式液體發(fā)動(dòng)機(jī)甚至可以開關(guān)機(jī)25萬次以上）。這有利于航天器推力-時(shí)間曲線的有效控制，對(duì)姿態(tài)和軌道調(diào)整是必須的，也是未來深空探測(cè)和載人航天技術(shù)的重要一環(huán)。
但是液體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間比較長(zhǎng)，有的甚至達(dá)到幾秒鐘。氫氧低溫發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，還要先用液氫降溫預(yù)冷，達(dá)到工作狀態(tài)后才能真正點(diǎn)火。點(diǎn)火之后，在零點(diǎn)幾秒內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到3000-4000℃，起動(dòng)過程的每個(gè)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(jìn)劑還一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)火系統(tǒng)，比如不容易點(diǎn)燃卻容易爆炸的液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火系統(tǒng)堪稱其核心技術(shù)。
2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化技術(shù)：確保發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)頻率和動(dòng)態(tài)剛度要求，且布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)性好。需要數(shù)字仿真技術(shù)并設(shè)置高壓液路補(bǔ)償措施。
點(diǎn)評(píng)：200噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，不是70噸級(jí)的簡(jiǎn)單放大。推進(jìn)劑和燃料的混合比調(diào)節(jié)裝置、補(bǔ)償液路的管路布局等，大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)控制和應(yīng)力控制，都為結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)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?xì)饫鋮s和輻射冷卻相結(jié)合的方案，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作。
點(diǎn)評(píng)：推力室由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成，火箭推進(jìn)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?gòu)膰姽苤袥_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(dá)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(diǎn)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(dòng)機(jī)噴管（原文如此）。采用分段設(shè)計(jì)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(diǎn)評(píng)：這樣的分段設(shè)計(jì)提高了冷卻效率和降低了生產(chǎn)加工難度。但對(duì)噴管的應(yīng)力控制和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能會(huì)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(dòng)密封技術(shù)，提高渦輪泵性能。
點(diǎn)評(píng)：渦輪泵由氣體渦輪、燃料泵和氧化劑泵等組成。由渦輪帶動(dòng)泵，將來自貯箱的推進(jìn)劑的壓力由不足1兆帕提高到20兆帕，然后再送入發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)闇u輪泵的質(zhì)量問題影響了研制進(jìn)度。高性能渦輪泵是液體發(fā)動(dòng)機(jī)研制的核心技術(shù)之一。
6 制造與試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)型鈦合金異型材成型、高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施和火焰導(dǎo)流防護(hù)技術(shù)。
點(diǎn)評(píng)：材料、設(shè)備、工藝、試驗(yàn)……道道難關(guān)，層出不窮，這就是考驗(yàn)中國(guó)航天工業(yè)基礎(chǔ)功力的型號(hào)，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(zhǎng)征5號(hào)以及后續(xù)火箭發(fā)射順利，將證明中國(guó)已經(jīng)跨過了大型液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制的初級(jí)門檻。雖然前路遙遠(yuǎn)，但可以為14年后的200噸級(jí)氫氧機(jī)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(dòng)機(jī)的這塊短板，就將還是壓在中國(guó)航天人心頭的一座大山。
