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《氫氧發動機篇》
話說中國的液體火箭發動機，最早要追溯到1960年代的東風-1短程彈道導彈。1957年，蘇聯贈送給中國2枚R-2型導彈，我方將1枚留作研究，另1枚投入測繪仿制，發展中國自己的第一個彈道導彈型號：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，俄羅斯戰斗民族同時也是伏特加的超級粉絲團，為此還發生過在華蘇聯軍事專家偷喝R2/東風-1導彈燃料酒精的故事。有興趣的同學，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動機，代號均為YF(即“液體”和“發動機”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年設計定型，是我國用于東風某型洲際彈道導彈（你懂得）第一級和第二級的型號發動機。該發動機進行了累計73780秒的各類型試車，經歷了大推力（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%, 結構可靠性大于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品的先進水平。該型洲際彈道導彈一級采用四單機關聯, 并可實現切向搖擺, 使中國導彈的飛行姿態和穩定控制技術達到了當時的世界先進水平。該型洲際彈道導彈二級也采用與一級相同的一臺單機，即“ 一代二”的兩級用一發方案, 這樣縮短了研制周期。YF-22的改型發動機YF-22D用于改型洲際彈道導彈，于1993年6月2日發射成功。其民用版發動機則首先應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星送入了預定軌道。
這個分支的液體火箭發動機, 經過了數十年的研制歷程，成為中國大型彈道導彈和航天發射的主力發動機。雖然中國其他新型洲際彈道導彈的燃料已經逐步固體化，但民用航天發射至今仍然采用該類型的液體發動機。而且，在過去的所有飛行發射試驗中, 這個系列的液體火箭發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——氫氧發動機。
分支三：液氧LH2+液氫LOX
氫氧發動機，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動機。采用這樣低溫發動機的火箭，因此被稱為“冰箭”。中國氫氧發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，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，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，發動機500秒長程熱試車已經成功，準備用于長征5號的芯一級動力。
YF-77，也是今年長征5號發射的一大看點。筆者以為，這甚至是今年長征系列新箭發射最值得關注的一點。
為什么呢？
首先，氫氧發動機的研制，一直是中國液體發動機最大的一個短板。中國到現在，真正成熟的產品也就是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，技術進步有跨代之感，自然值得關注。
另一方面，也許正是因為這樣大幅度的進步，YF-77從2001年立項歷經十年研制，進程坎坷不斷。2004年6月18日首次全系統試車。
2007年就先后四次500秒長程試車失敗，官方評論為“國內外都罕見的重大技術障礙”、“缺乏大推力氫氧發動機的研制和工程經驗，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發動機的關鍵技術才獲得艱難突破，此時距離立項已經過去11年，而此時累計試車只有22000秒，比同類發動機40000-60000秒的試車時間差的很遠。
該型發動機在十余年的研制過程中，全面突破的關鍵核心技術達12個大項、200多個小項。足見其研發之路的艱辛程度，如何不令人格外關注。
對比之下，幾乎同時立項研發的YF-100液氧/煤油發動機，2006年已經成功進行首次600秒長程試車（所需額定工作時間只有150秒）。
2011年9月，以3臺發動機驗收成功為標志，六院已經研制120噸級基本型液氧煤油發動機數十臺，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，使得六院曾經認為2014年長征5號可以首發，結果至今卻延宕了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號才能轉入發射場合練走向首飛。因此，網上曾經詬病YF-100不給力造成長5的2014年首發打臉。其實，是開發進度不穩定的YF-77拖了長5首發全狀態達標的后腿，才是真的。
還沒上天的YF-77，其70噸的真空推力雖然已經比YF-75幾乎高了一個數量級，但與國際主流液氫/液氧發動機相比，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1980年代研制成功150噸級的RD-0120液氫液氧發動機；
2000年代研制成功200噸級的RD-10120液氫液氧發動機
美國1960年達研制百噸級的J2氫氧發動機
用于美國航天飛機的SSME氫氧發動機推力達到了213噸
2002年首發的美國德爾塔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發動機，在2015年已經進行了500
秒和650秒長程點火試驗，預計2018-2020年發射。
就連軍迷們一直不屑一顧的阿三，也在這方面的實際應用上暫時領先中國。2014年1月5日，印度空間組織在安得拉邦航天中心成功發射GSLV-D5運載火箭。
該火箭的第三級首次成功應用了印度國產氫氧火箭發動機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動機技術的國家。而且印度的氫氧發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/液氧發動機呢？
中國重型液氫/液氧發動機規劃
根據中國航天科技集團《2011年度社會責任報告》，中國未來將發展重型液氫液氧發動機：即推力200噸級，真空推力為2460千牛、真空比沖為425秒的液體發動機。該型發動機預計2030年將用于長征9號重型運載火箭的二級級動力。
其技術難點如下：
1 大推力發動機高空點火與啟動技術：需要合理分配發動起起動能量，安全可靠點火，平穩快速進入額定工況。如果點火和起動不當，會出現爆轟、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：液體發動機能夠靈活多次點火起動，是對固體發動機的主要優勢之一（有些小型脈沖式液體發動機甚至可以開關機25萬次以上）。這有利于航天器推力-時間曲線的有效控制，對姿態和軌道調整是必須的，也是未來深空探測和載人航天技術的重要一環。
但是液體發動機的點火時間比較長，有的甚至達到幾秒鐘。氫氧低溫發動機起動時，還要先用液氫降溫預冷，達到工作狀態后才能真正點火。點火之后，在零點幾秒內，發動機從0轉速加速到每秒幾萬轉。
燃燒組件從環境溫度達到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，比如不容易點燃卻容易爆炸的液氧/甲烷發動機，點火系統堪稱其核心技術。
2 發動機結構動力學優化技術：確保發動機結構頻率和動態剛度要求，且布局合理、結構緊湊、維護性好。需要數字仿真技術并設置高壓液路補償措施。
點評：200噸級發動機的結構，不是70噸級的簡單放大。推進劑和燃料的混合比調節裝置、補償液路的管路布局等，大尺寸發動機振動控制和應力控制，都為結構力學優化設計帶來了不小的難度。
3 大熱流、高效、穩定燃燒推力室技術：需采用多種綜合技術措施抑制高頻不穩定燃燒。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合的方案，保證發動機可靠工作。
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，經霧化、蒸發、混合和燃燒等過程生成燃燒產物，以高速2500-5000米/秒的高速從噴管中沖出而產生推力。
高頻橫向不穩定燃燒（和低頻縱向不穩定燃燒）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，內壓力可達20MPa，溫度為3000-4000℃。因此有效冷卻是推力室持續工作的要求。這兩點是推力室技術的要害。
4 超大尺寸、高效、輕質噴管技術：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動機噴管（原文如此）。采用分段設計和制造技術，分為輕質合金再生冷卻和超大尺寸單壁渦輪排氣冷卻兩段。
點評：這樣的分段設計提高了冷卻效率和降低了生產加工難度。但對噴管的應力控制和結構強度可能會產生不利的影響。如果分段的材料性質有差異，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：泵入口壓力低、效率高、轉速高、溫度低。采用高抗汽蝕誘導輪和新型低溫、低泄漏組合式動密封技術，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。據說YF-77就曾因為渦輪泵的質量問題影響了研制進度。高性能渦輪泵是液體發動機研制的核心技術之一。
6 制造與試驗技術：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、大尺寸復雜結構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亟需攻關。需要發展高空模擬實驗技術、試驗臺基礎設施和火焰導流防護技術。
點評：材料、設備、工藝、試驗……道道難關，層出不窮，這就是考驗中國航天工業基礎功力的型號，其意義非同一般。
看看這些不明覺厲的高大上技術難題，回過頭來，客觀地說，如果應用YF-77的長征5號以及后續火箭發射順利，將證明中國已經跨過了大型液氫/液氧發動機研制的初級門檻。雖然前路遙遠，但可以為14年后的200噸級氫氧機首發打下一定的技術基礎。
反之，如果遇到發射問題，或者即使發射成功但技術狀態不穩定，則氫氧發動機的這塊短板，就將還是壓在中國航天人心頭的一座大山。
