火箭发动机，人类玩火的极致（七）——基于东风导弹技术 打造长征运载火箭-科工力量
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火箭发动机，人类玩火的极致（一）——德国A系列火箭
火箭发动机，人类玩火的极致（二）——美国红石火箭，V2的改良升级
火箭发动机，人类玩火的极致（三）——苏联R-7系列火箭
火箭发动机，人类玩火的极致（四）——美国“半人马座”上面级
火箭发动机，人类玩火的极致（五）——RD-170火箭发动机诞生，至今难以被超越
火箭发动机，人类玩火的极致（六）——单燃烧室最强推力 实现“阿波罗”登月计划
【文/科工力量 柳叶刀】
与很多国外运载火箭一样，中国运载火箭最早也是由远程战略导弹改进、发展而来的，从一开始就被蒙上高度神秘的面纱。1956年，国防部第五研究院（现为中国运载火箭研究院）成立后，钱学森担任院长，立即开始了地地弹道导弹的相关研究工作。
转接苏联导弹 继承德国技术
根据1957-1962年间的中苏合作协议，苏联转让了R-1、R-2陆基弹道导弹以及R-11F海基弹道导弹的训练与战斗模块、以及技术文件等。
苏联的R-1与R-2是德国V-2导弹的改进型号，前两者的基本技术思路与V-2区别很小。R-1基本上是利用德国的V-2火箭的残余零部件组装起来的（因为美国抢在苏联前面，先将技术人员、资料与完整部件运回国内），其RD-100发动机沿用V-2的液氧/酒精推进剂方案，发动机核心组件蒸汽发生器继承了V-2的双氧水分解产生动力的方式，驱动涡轮泵。
因为R-1是在德国人的帮助下进行复原的，苏联人同时也独立组织了一批自己的工程师，研制R-2导弹，其射程是V-2的两倍。其RD-101发动机设计与RD-100相比，高度降低，质量减小，结构更为紧凑，推力增加。蒸汽发生器有所改变，改用固体催化剂分解双氧水。
最初的东风-1导弹就是仿制苏联的R-2。1958年，在苏联顾问的帮助下，国防部第五研究院开始复制工作。东风-1采用一台RD-101发动机，所以推进剂、蒸汽发生器、涡轮泵基本继承自R-2。另外，东风-1与R-2两者的北约代号都是SS-2，从中也可见二者技术的相似之处。随后第五研究院于1960年开始独立研制东风-2导弹，在消化苏联R-2技术的基础上进行改进，仍采用液氧/酒精推进剂，但射程增加。
与美苏一样，中国的技术人员也需要克服液氧常温下，大量挥发、难以保存难题。所以，东风-3导弹改变策略，推进剂改为偏二甲肼/硝酸。同时，将四台YF-1发动机并联（即YF-2）作为动力，地面推力提升至104吨。后来的东风-4（二级结构）与长征一号运载火箭的第一级都是采用东风-3导弹的动力设置（稍加改进）。
YF-2发动机有四个燃烧室，每个燃烧室都有自己的涡轮泵。YF-2就是4个YF-1单燃烧室发动机并联组合在一起的。YF--1发动机可以看做是一个基本型号，长征一号运载火箭的一、二级使用的几型发动机都基于YF-1的改进或组合
YF-1发动机的推进剂采用偏二甲肼/硝酸，与双氧水分解驱动涡轮泵不同，YF-1采用燃气发生器循环，即导入部分推进剂进入发生器燃烧，产生燃气驱动涡轮泵。
“东风-3”、“ 飞毛腿B”、“劳动”这三型导弹的发动机结构相似
如果忽略大小，单从外观结构上看，YF-1发动机与苏联的飞毛腿B（Scud-B）发动机、朝鲜的“劳动（Nodong）”弹道导弹的发动机非常相似。前面提到的R-11的最终改进设计版为R-17，也被称为“飞毛腿B”出售到全世界。在中苏最初的合作协议中，就有转让R-11F约定。相关资料显示，朝鲜的“劳动”弹道导弹的大量技术也是来自“飞毛腿”导弹。
YF-2发动机的四个燃烧室都配备各自的涡轮泵，因为发动机采用的是开式泵压循环，所以燃气驱动涡轮后，直接排放到外部。虽然YF-2与苏联的RD-107同为四燃烧室发动机（笔者在《火箭发动机，人类玩火的极限——苏联R-7系列火箭》一文已介绍），但RD-107的所有燃烧室中推进剂的注入都是由一个涡轮泵单元提供动力，所以RD-107发动机上部的结构更简洁。当然采用一个涡轮泵，需要克服推进剂等量均匀注入燃烧室的问题，按照中国当时的技术水平，在YF-2合并使用一台涡轮泵可能存在困难。
在冷却发动机推力室方面，YF-1发动机与早期的苏联火箭发动机一样，都是采用再生冷却循环（德国的技术），燃料从推力室的底部流经喷管夹层，冷却推力室的同时并预热燃料。因此，可以看到在发动喷管外周有两根分叉的导管，接入喷管下部，燃料由此进入，起到再生冷却作用。
开式泵压循环、再生冷却循环
YF-1涡轮泵的剖面结构，从资料图上看，YF-1的涡轮泵采用的是普遍的单轴设计，燃料泵和氧化剂泵分别位于涡轮的两侧，中间圆盘状为提供动力的涡轮。这样的设计思想与最初的V-2发动机涡轮泵的结构设计相似
不过值得注意的是，在涡轮泵结构方面，中国的YF-1发动机与苏联的飞毛腿B（Scud-B）发动机、朝鲜的“劳动（Nodong）”弹道导弹的发动机存在差异。后两者涡轮泵虽然仍是单轴结构，但是涡轮位于单侧，并非燃料泵与氧化剂泵之间。
在涡轮泵中，涡轮位于最右侧（红色方框），氧化剂泵与燃料泵位于左侧
基于东风-4导弹 研制中国第一枚运载火箭
1966年，根据国防科委的要求，当时主管航天部门七机部就确定，我国第一枚卫星运载火箭选用东风-4液体导弹。1967年提出了长征一号运载火箭方案。该型火箭是三级结构，火箭的一、二级在东风-4号基础上进行修改。第一级采用的是YF-2A发动机（即四个YF-1A火箭发动机并联），推进剂为硝酸-27S/偏二甲肼组合。第二级采用YF-3A（即YF-1火箭发动机的改进增强版）。
长征一号运载火箭尾部可见四个YF-1A火箭发动机并联
该型火箭的第三级与如今普遍类型的三级有所不同，其采用的是FG-02固体火箭发动机，使用高氯酸铵-聚硫橡胶复合固体推进剂。一般来说，火箭的第三级需要实现高空启动点火，需要一定的技术水平。相比于液体发动机，固体燃料无法多次点火（推进剂一次燃尽），这就给火箭的姿态调整带来挑战。不过，长征一号在其后来的衍生型号中，第三级有采用四氧化二氮/偏二甲肼液体燃料发动机。
长征一号运载火箭共进行了两次发射，1970年4月24日，将东方红1号卫星送入轨道。1971年3月3日，又将实践一号科学卫星送入轨道。
长征二号技术积累 奠定中国运载火箭坚实基础
长征一号顺利发射成功后，紧接着新研制的东风-5洲际弹道导弹成功发射。在东风-5的基础上又研制长征二号系列、长征三号系列、长征四号系列。这三个系列成为中国航天工程的骨干运载火箭。与长征一号系列运载火箭不同，后三个系列的一、二级基本采用四氧化二氮/偏二甲肼作为推进剂。
在长征三号系列运载火箭中，第三级使用氢氧火箭发动机作为动力
长征二号系列运载火箭一般认为由风暴一号、长征二号、长征二号丙、长征二号丁、长征二号捆、长征二号F这6种型号组成。实际上，风暴一号有时也被称为“新长征一号”，但是其动力和推进剂与长征一号系列相比，发生改变。
在长征二号系列中，其第一级动力来自YF-20发动机或者YF-21（四台YF-20的组合）。YF-20发动机通常也与YF-23游动发动机（四燃烧室结构）配合构成第二级火箭动力，实际上二级动力搭配恰好组成YF-24火箭发动机。
YF-21发动机（左）由四台YF-20发动机（右）而成组合。一级四台发动机安装在一个圆周上，可以沿着圆周摆动，以控制火箭的飞行，总推力约2940千牛，1秒钟消耗约1150千克推进剂
YF-24发动机，由主发动机YF-20的改进型与YF-23四燃烧室游动发动机组成。二级中心安装的主发动机，推力约735千牛，1秒钟消耗约255千克推进剂。在主发动机顶部安装一台游动发动机，包含四个推力室，其总推力约为46千牛，1秒钟消耗约16.6千克推进剂
以暴风一号为例，其一级动力来自四个YF-20A，二级动力由一台YF-22（YF-20火箭发动机的喷嘴扩大版本）和一台YF-23游动发动组成。长征二号系列其他几个版本也采用这样的动力设置。另外，在其捆绑型中，助推器并非采用固体燃料，动力仍来自YF-20液体发动机。
长征二号运载火箭一级单台发动机YF-20结构，涡轮泵中涡轮设置在单侧，燃料再生冷却推力室，涡轮排气加热液氧增压贮箱
关于游动发动机的概念，笔者在《火箭发动机，人类玩火的极限——苏联R-7系列火箭》一文中提到，R-7火箭的芯级动力RD-108与助推机器RD-107，都配备游离发动机。一般来说，此种游离发动机的动力也来自于推进剂。
YF-24中游动发动机的四个燃烧室共用一个涡轮泵，给它们注入推进剂。主发动机单独使用另一个涡轮泵。两者都是采用开式泵压循环，驱动涡轮后的燃气都最终排出发动机外部。
YF-24的游动发动机与主发动机布局
游动发动机的四个推力室都能够沿圆周单向摆动，用于控制火箭二级的飞行，还可以用来消除主发动机关机后残留推力偏差，也可以让它长时间工作，以增加火箭二级的飞行时间，提高二级火箭发动机关机时的飞行高度。
长征二号运载火箭一级和二级都采用了摆动发动机方案，这与过去使用燃气舵相比，是一个很大的技术进步。长征一号运载火箭使用的是燃气舵（德国V-2火箭也使用燃气舵），放在发动机喷口处的燃气流中，只能改变部分燃气流的喷射方向，可提供的控制力小，还降低了喷流的速度和发动机的效率。而通过摆动发动机，可以改变全部燃气流的喷射方向，使摆动同样角度所提供控制力大大增加，同时燃气喷流速度不受影响。
与长征一号运载火箭一样，长征二号运载火箭二级安装的主发动机，也是以一级75吨发动机为基础改进而制造出来的，利用了一级发动机基本的技术和部件，这也节约了不少研制经费，并且缩短了研制周期。但是为了提高火箭二级飞行的灵活性，其游动发动机没有与主发动机共用涡轮泵系统，而采用了独立的泵系统，使得游动发动机在主发动机关机的情况下，也能独立工作，这对发射卫星的运载火箭是必要的。
长征二号运载火箭一、二级分离采用热分离方案。二级主发动机在一级发动机完全关机前点火，二级主发动机点火工作后，才利用爆炸螺栓切断火箭一、二级的联系，无用的火箭一级在火箭二级主发动机喷焰的推动下，离开正在工作的二级火箭。为了保证二级发动机喷焰从火箭两级之间尽快排出，火箭两级之间采用了斜拉金属杆连接方式，中间保留了很大的空隙。这样的一、二级分离方案实际上是继承自东风-4导弹。
“长征二号丙”运载火箭，在级间杆系及级间段，采用了斜拉金属杆连接方式，可能借鉴了苏联人的思路，因为R-7火箭也是这样的设计思路
结束语
长征二号运载火箭一级和二级发动机的研制成功，还有逐渐成熟的一、二级热分离技术，为我国后来的运载火箭发展打下了基础。利用这种发动机及其组合方式，还有一、二级的热分离技术，再加上后来发展的助推器捆绑技术，形成了我国“长征”火箭共10多种型号的大家族。
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