航天“中国芯”升级

刘朝晖

中国新一代中型运载火箭长征七号6月25日在新建成的海南文昌航天发射场首飞成功，标志着中国载人航天工程空间实验室任务顺利开启。这是长征系列运载火箭的第230次飞行，同时也是中国以建设空间站为目标的空间实验室任务第一次发射。中国载人航天工程新闻发言人武平说：“空间实验室任务之后，我国将真正迈入空间站时代的大门。”

在接下来的几个月中，中国将陆续发射天宫二号目标飞行器、神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船。同时，中国目前研制规模和技术跨度最大的航天运输系统工程——长征五号运载火箭也将于今年下半年在海南文昌航天发射场择机发射。届时，中国新一代运载火箭全部在研型号将得到全面技术验证。

长征七号的成功发射，也是我国全新大推力火箭发动机取得进步的显著标志。随着中国航天事业的发展，未来还有大量的发射计划，对于新一代火箭的要求有增无减，既要拥有更大的运载能力，还要进一步降低成本。因此发展大推力火箭发动机，改变目前大幅度落后于世界运载火箭先进水平的局面，也是迫在眉睫。

蓝色尾焰的奥秘

伴随着振聋发聩的轰鸣声，长征七号腾空而起，直冲云霄。夜空中火箭喷出的橘红色尾焰，形成一幅壮丽的画面。当现场观摩发射的人群在为此欢呼之时，中国航天的动力技术研发人员却在为这已经司空见惯的场面中的一点不同而兴奋，因为他们知道，这一点不同的出现，是对他们辛勤的研发投入最好的回报。

这一点不同，是长征七号橘红色尾焰中的那一抹充满神秘的蓝色！正是这一点蓝色，表明了长征七号采用的是不同于以往的新型火箭发动机。航天科技集团一院长征七号运载火箭副总指挥张涛向媒体解释，“为什么点火时尾焰的颜色中会有点蓝？主要是燃料出现了变化。”他说，长征七号采用无毒无污染的液氧煤油作为燃料，较常规推进剂比冲提高20%，推力提高了60%，不仅秉承了中国航天绿色环保的发展理念，顺应国际潮流，还降低了成本提高了火箭性能。

采用全新的大推力液氧煤油发动机动力系统，是长征七号最根本的变化。这颗更强壮的“心脏”，一举将我国中型运载火箭低轨道的运载能力由8.6吨提高至13.5吨，达到国外同类火箭先进水平。未来，长征七号火箭将成为中国未来航天发射任务的“主力军”，承担中国80%左右的发射任务。

资料显示，长征七号使用了新型的YF-100、YF-115液氧煤油发动机，其中火箭芯一级安装两台推力为120吨的YF-100发动机，4个直径为2.25米的助推器，分别安装单台YF-100发动机；火箭芯二级采用4台单机推力为180吨的YF-115发动机。

据了解，之前我国使用的火箭发动机单台推力是70吨左右，火箭的运载能力在9吨上下。120吨级的液氧煤油发动机采用了目前世界上最先进的高压补燃循环系统，可谓世界航天动力领域的“珠峰”。其推力比我国现有长征系列运载火箭发动机提高60%以上，火箭运载能力是原来的3倍左右；不仅采用的推进剂、循环方式与常规发动机不同，在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上，也比现有发动机高出数倍，在推力吨位、性能方面有大幅度提高。

由于液氧和煤油都是环保燃料，燃烧后只生成水和二氧化碳，不像以往的火箭发动机燃料会产生剧毒，因此液氧煤油发动机没有污染，而且易于存贮和运输。同时，液氧煤油比常规发动机推进剂便宜60%，而且可靠性更高。

大推力液氧煤油发动机的研制成功，填补了中国高压补燃循环发动机的技术空白，缩短了中国液体火箭发动机技术水平与国外的差距，奠定了中国未来航天动力系统发展的技术基础，也标志着中国成为继俄罗斯之后第二个完全掌握液氧煤油高压补燃循环液体火箭发动机核心技术的国家。

艰难的研制历程

从某种程度上说，探索太空的能力，取决于航天发动机的推力。我国现役长征系列运载火箭，有过推举神舟九号与天宫一号圆满完成载人交会对接任务的辉煌，但其推力已经不能满足未来航天技术发展的需求，研制新一代液体火箭发动机显得格外迫切。

大推力液氧煤油发动机的研制，走过了一段相当艰辛的研制历程。

从1986年起，国家就对我国新一代航天动力的发展思路进行了论证，在1990-1995年间，我国引进了国外先进的液氧煤油补燃循环发动机，开展了相关技术的消化吸收，随后开展了国产120吨级液氧煤油发动机的技术研究。2000年，国家正式对该项目立项，液氧煤油火箭发动机正式进入了工程研制阶段。2012年，新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机在中国航天科技集团第六研究院点火试验获得成功。

自2000年国家正式立项进入工程研制至点火成功的12年间，这台液氧煤油发动机已先后进行了百余次试车。从研制高压补燃循环发动机开始，已突破80余项关键和核心技术，先后研制出3种基本型发动机，以及5种适应不同火箭总体飞行状态的发动机。

大推力火箭发动机作为世界航天动力领域的技术高点，研制过程并非一帆风顺。在整机研制初期，失败与挫折是家常便饭。

据了解，液氧煤油发动机各方面性能都有大幅度提高，这就意味着发动机及各部件要在比现有发动机更恶劣的条件下工作。这不仅加大了发动机的设计难度，而且对加工、试验设备以及材料、工艺等提出了更高的要求。

如同飞机起飞和降落是最难控制的时段一样，液体火箭发动机的起动和关机是最复杂最难设计的动态过程，尤其是起动过程，在零点几秒内，发动机的转动件要从不转动加速到每秒几万转的高转速；燃烧组件要从环境温度达到三四千摄氏度的高温，起动过程的每个指令都必须精确到百分之几秒，甚至千分之几秒。任何一个环节设计不好，都可能导致发动机故障甚至爆炸。

液氧煤油发动机刚开始进行的几次整机试车都失败了，外界也出现了质疑声。经过紧张激烈的艰苦攻关，设计人员终于摸清了试车失败的根源，设计了最理想的起动方案和起动程序。科研人员正是凭着锲而不舍的精神，连续闯过了涡轮泵联动试验、半系统试验、整机试验三大难关，成功实现整机600秒长程试验。

在国外航天专家眼里，建设一座数百吨推力规模的发动机试车台，从主体奠基到正式试验投产，至少要用三年时间，而航天科技集团六院仅用了一年半。经过考台试车和正式试车的验证，这座亚洲第一试车台的总体设计、技术、设备等指标均达到了国内外先进水平。

大推力液氧煤油发动机的研制成功，为我国下一步空间站建设以及深空探测提供了坚实的动力支撑。

与世界先进仍有差距

按照设计，今年下半年将发射新一代的长征五号火箭。虽然长征五号尚未发射，但它的研制成功将我国运载火箭技术水平提高一个档次，同时长征五号的运载能力也有成倍的提高。据悉，长征五号在芯级上使用的是YF-77氢氧发动机，而助推器则使用的是YF-100液氧煤油发动机，虽然两款发动机都是属于全新研制的火箭发动机，但是不可否认的是，横向比较，我们的大推力火箭发动机技术与国际的先进水平相比，依然存在着不小的差距，前面仍有一段很长的路要走。

如果说液氧煤油发动机还有参照的话，那我国研制新一代运载火箭芯级的液氢液氧发动机可算得上白手起家了。中国研究氢氧发动机开展得很早，1970年就开始第一台氢氧发动机YF-70的研制，但是由于基础工业落后和低温氢氧发动机的高难度，发展道路艰辛无比，至今仅有两种小型氢氧发动机YF-73和YF-75投入使用，最大推力不过8吨。2001年立项的YF-77虽然已经定型投产，但其推力仅50吨，可以说是国际上新一代运载火箭氢氧发动机中推力最小的型号。

在液氧煤油火箭发动机领域，苏/俄长期处于世界领先地位。1950年代，苏联就率先研制成功RD107/108液氧煤油发动机，以其为动力的“联盟”号运载火箭将首位航天员加加林送上太空。随后苏联又研制了推力150吨级的NK-33液氧煤油发动机，计划用于载人登月的N-1火箭，但由于技术过于复杂，4次试验全部失败。不过苏联并未因此止步，在1970年代至1980年代成功研制了推力740吨级的RD-170发作“能源”号火箭的助推器，遗憾的是这一计划由于苏联解体而终止。此后，俄罗斯又推出了380吨级的RD-180和200吨级的RD-191，并向美国、日本、印度、韩国及欧洲等国出口液氧煤油发动机产品及技术。近期也有不少传闻说俄罗斯正在向我国推销RD-180发动机，而美国出于成本的考虑，已经从俄罗斯进口了不少RD-180发动机。

另一个航天巨人美国，在1960年代就研制了推力高达680吨的F-1液氧煤油发动机，用于迄今为止最大的运载火箭“土星五号”，实现了人类首次登月。而目前美国重型德尔塔4火箭使用的使用的大推力氢氧发动机RS-68，地面推力超过300吨。

对比美欧航天强国，中国缺少大推力高比冲的氢氧发动机，缺少大推力液氧煤油发动机和大推力的固体发动机，长征五号的YF-77和YF-100发动机仍然存在推力偏小的问题，这导致火箭设计复杂化，将降低火箭的固有可靠性。

为了在大推力运载火箭技术上追赶航天强国，同时也为了满足未来载人登月和空间站建设等需求，中国已经开始了新一代大推力发动机的研制。据悉，中国运载火箭技术研究院下属首都航天机械公司已经启动220吨级氢氧发动机预先研究工作，该型发动机将用于重型运载火箭，它的推力是现有大氢氧发动机推力的近4倍。

2015年，国防科技工业局已经正式批准重型火箭的关键技术深入研究，主要包括两方面，其一是总体技术，其二是发动机技术，从而实现重型火箭起飞推力在长征五号大型火箭1000吨的基础上提升至2000—3000吨的目标。重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000吨上下、近地轨道运载能力在100吨左右的火箭，主要用于载人登月任务和发射大型深空探测器。

我国计划用4—5年时间突破重型火箭总体设计，以及460吨液氧煤油发动机、220吨氢氧发动机和9米左右直径火箭箭体结构设计制造等关键技术，用15年左右完成研制，争取在2030年前后实现首次飞行。

2012年，中国航天科技集团公司对外公布长达80多页的《2011年度社会责任报告》，在这份报告中，中国航天科技集团公司首次对外发布长征九号巨型火箭外形示意图。从图中可以看到到这种火箭比长征五号重型火箭庞大得多，应该就是研制中的重型运载火箭。如果研制成功，无疑将使中国航天事业迈入一个崭新的时代。

长征七号还有哪些过人之处？

一 、研制流程无纸质图纸？用上“虚拟现实”

“长七”火箭在全研制流程没有一张纸质图纸，火箭设计从纸质“连环画”变成了“3D电影”。在生产加工阶段火箭实现了“一键式”加工。

在试验、装配阶段，“数字火箭”应用了“虚拟现实技术”，对火箭进行虚拟装配、虚拟试验，真实模拟火箭实际装配和试验环境，提前预见可能发生的问题。

二 、大个子“长七”火箭转场能转弯

因为要和长征五号火箭共用一个转运轨道，节省占地面积，“长七”火箭在转场过程中要拐4 个60 度的弯。

由于火箭转场时“头”部包裹着卫星，行走起来“头重脚轻”，因此要“小步慢行”，转弯时速度不能超过每分钟15米，行驶速度每分钟不能超过30 米。汽车要转弯，转动方向盘就能轻松完成。而火箭转弯则要依靠活动发射平台。

为攻破这项技术难题，航天科技集团一院专门成立项目组，并进行了大量的仿真计算和试验。经过3 年的努力，才取得发射平台转弯行走原理试验的成功。

长征七号地面设备副主任设计师吴梦强说：“这是航天发射支持系统的一次重大突破。目前，除日本外，我国是第2 个掌握‘单轨差速转弯行走技术的国家，也是继美国、欧空局、日本之后第4 个掌握‘发射平台转弯行走技术的国家，缩短了我国在发射设备领域与其他航天大国的差距。”

三 、火箭也有“脐带”

现役火箭的管道、电缆都在发射塔架上，这些“脐带”在火箭起飞前通过遥控自动脱落。作为新一代运载火箭，长征七号还有这专门承载火箭加注管道、供气管道的装置——脐带塔。

长征七号地面设备副主任设计师吴梦强介绍说，长七火箭将首次在非内陆发场执行发射任务，而我国台风预测能力仅能提前1 周，天气的不确定性决定了火箭不能在发射阵地如此长时间工作，为此，设计人员专门设计了脐带塔，火箭转场过程中可以保证所有连接状态不变，到发射阵地后直接进行加注发射，缩短在火箭发射阵地的测试时间。”