火箭发动机，人类玩火的极致（八）——克服重重困难 长征五号复飞成功-科工力量
【文/科工力量 柳叶刀】
在长征五号火箭研制之前，中国的长征系列运载火箭一直是在已有的技术基础上进行改进，核心部件火箭发动机推力没有质的提升，增大火箭的推力与射程，只能依靠加装助推器与火箭的级数。老旧的火箭使用有毒的四氧化二氮与偏二甲肼推进剂，剧毒且污染环境。
为全面提高中国运载火箭的整体水平和能力，中国急需一种大推力、高可靠、低成本、无毒、无污染的运载火箭。新火箭还需具备模块化设计，可根据不同模块组装成不同推力的火箭。长征五号火箭就是在这种背景下进行研制的。
改造老旧型号火箭 长征三、四号推力性能无本质提升
自20世纪70年代以来，中国一直依靠“长征二号、长征三号、长征四号”运载火箭及其改进型来完成大部分轨道发射任务。如果追溯技术源头，这三型火箭都源自1971年首飞的东风5号洲际弹道导弹（两级液体火箭）。
“长征三号”运载火箭是以“长征二号”运载火箭为基础进行研制的，主要关键技术在火箭的第三级（上面级）。第三级火箭首次采用低温液氧/液氢推进剂，液氧的沸点温度在-183℃，液氢沸点温度更低为-253℃，在这样低的温度下，有许多难题需要克服。
该型火箭的第一级安装四台YF-21发动机，第二级是一台YF-24发动机（即：YF-22主发动机+四燃烧室YF-23游动发动机），这样的火箭一、二级设计与长征二号类似，变化不大。
长征三号运载火箭第三级所使用的YF-73氢氧发动机，由1台涡轮泵和4个独立的推力室并联组成，4个推力室同在一个圆周，呈“十”字形安装在发动机机架上，每个推力室都可沿圆周切向摆动，以控制飞行姿态，可以两次点火工作。
“长征三号”第三级YF-73发动机，由1台涡轮泵和4个独立的推力室并联，涡轮泵排气加热氢气和氦气，分别给氢、氧贮箱增压
YF-73发动机结构图，采用开式循环，四个燃烧室推进剂由一台涡轮泵驱动
“长征三号甲”第三级YF-75氢氧发动机，通过机架并联两台该型发动机使用，发动机可双向摆动，YF-75是继YF-73之后的中国第二代低温发动机
作为发射地球同步轨道卫星的备份火箭，上海航天局自1974年起，用了10年的时间成功研制了“长征四号甲”和“长征四号乙”运载火箭。
与长征三号思路相似，长征四号火箭也是在“长征二号”的基础上增加一个第三级形成的，一级和二级继承了“长征二号”和“长征二号丙”成熟的技术，但与长征三号不同的是，增加的火箭第三级使了与一、二级相同的常温液体推进剂（偏二甲肼/四氧化二氮），动力为两台YF-40发动机，可双向摆动。
YF-40发动机
攻克大推力发动机技术难题 研制长征五号运载火箭
“长征五号”早于1986年在“863计划”支持下开展了前期的论证，但那时的中国航天工业还不具备生产大推力火箭发动机的能力，这意味着大推力火箭只能存在于概念中。不过，这种情况在90年代初发生了改变，当时中国获得了俄罗斯RD-120发动机成品（可能还有设计文件），RD-120就采用了先进的高压补燃循环技术。
高压补燃循环，预燃室中氧气充足，排气驱动涡轮泵后，全部注入燃烧室
21世纪初，国内开始研制两种大推力火箭发动机：基于RD-120技术的120吨推力液氧/煤油发动机YF-100和50吨推力液氧/液氢发动机YF-77。
实际上，YF-100和YF-77在研发的过程中都遭遇了重大挑战，导致了长征五号发展的重大延迟，中国航天业花了近20年的时间才消化完RD-120技术，并给出自己的设计。使中国成为既俄罗斯之后，成为世界上第二个掌握高压补燃循环发动机技术的国家。
YF-100发动机，基于俄罗斯RD-120发动机技术，采用液氧/煤油推进剂，使用高压补燃循环技术，长征五号助推器动力，半个世纪前，美国土星五号运载火箭采用F-1发动机，地面推力约690吨，相当于5台YF-100发动机
YF-77火箭发动机，采用液氧/液氢推进剂，YF-77火箭发动机采用开式循环，预燃室产生的燃气，分别驱动燃料泵和涡轮泵（这样的设计是考虑到密封性问题，防止氢气与氧气接触，产生爆炸），驱动涡轮后的废气直接排到发动机外面
中国航天科技集团公司和国防科工委于2001年开始对下一代运载火箭进行初步研究，该计划不只是发展一个新的运载火箭，还包括对整个空间基础设施进行广泛的升级，在天津建造新的运载火箭和宇宙飞船制造和测试工厂，在海南岛建造一个新的发射场，并建造用于两地转运火箭设备的海上运输船。
长征五号的设计任务被分配给中国运载火箭技术研究院（即中国航天科技集团第一研究院），该火箭是一种全新的设计，采用了以前长征火箭设计所没有的一系列新技术，包括新的发动机、数字飞行控制系统、新的焊接技术等。
长征五号系列实行模块设计，由直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成。其中5米模块包含两台50吨级YF-77发动机（芯一级）或两台9吨级YF-75D发动机（芯二级），3.35米模块包含两台120吨级YF-100发动机，2.25米模块包含一台120吨级YF-100发动机。
模块化设计的好处是可以根据需要，把不同模块组装成不同推力的火箭，以执行不同的任务。例如长征五号运载火箭系列中最强的型号，以两个5米模块主推进器，另配4个3.35米模块助推器。
经历种种坎坷 长征五号再次屹立海南文昌
长征五号作为中国新一代重型运载火箭发射系统，与欧洲的阿里安5型（Ariane 5）和美国的德尔塔IV型（Delta IV）重型火箭的性能并肩。该型运载火箭的设计目的主要是将商业卫星、空间站模块和深空探测器送入轨道。
2016年11月3日，长征五号遥一火箭搭载实践十七号卫星，在海南文昌发射成功，但发射过程中二级故障提前关机，但上面级通过延长燃烧时间成功把卫星送入预定轨道。火箭采用“远征二号”上面级，其动力为两台YF-50D发动机，推进剂为四氧化二氮与偏二甲肼。
此次采用芯一级两台50吨级氢氧发动机与四枚助推器各两台120吨级液氧煤油发动机组合起飞方案，10台发动机同时点火，起飞推力达1060吨。距离美国土星五号的近3000吨起飞推力，还存在一定差距。
长征五号底部发动机布局
2017年7月2日，长征五号遥二火箭搭载实践十八号卫星，因为一级故障，发射失败。公开资料显示，发射失利原因是，两台YF-77芯一级液氢液氧发动机其中一台出现了异常。
此前，天津航天长征火箭制造有限公司总经理陶钢接受记者采访时表示，通过对故障的定位、分析，已经查明原因，而且采取了有效措施。如今，长征五号遥三火箭又屹立在海南文昌发射场。
助力“长征九号”载人登月 500吨级发动机研制工作不断推进
国内早已经意识到自己在大推力火箭发动机研制方面的落后，除了确保“长征五号”计划顺利进行，还正着手研制单台推力达500吨的液氧煤油机及单台推力为200吨的氢氧机，这两型发动机，将是负责中国载人登月、火星考察的“长征九号”重型运载火箭的主力发动机。
从左至右依次为：土星五号、美国新一代SLS火箭、长征九号、美国蓝色起源公司的New Glenn火箭、SpaceX公司的Starship火箭
今年3月，由中国航天科技集团六院研制的500吨液氧煤油发动机燃气发生器-涡轮泵联动试验取得成功。
目前，世界上超过500吨级液体火箭发动机仅有两款，一款是美国F-1火箭发动机，这是美国阿波罗登月的土星五号运载火箭的芯一级动力。另一款是俄罗斯的RD-170，这是迄今为止推力最大的火箭发动机，最大推力达到840吨，不过包含四个燃烧室。
去年11月份，在珠海航展上，俄罗斯动力机械科研生产联合体展示了RD-180火箭发动机（RD-170的燃烧室减半）。该公司的总经理伊戈尔·阿尔布佐夫在接受记者采访时表示，希望中国可以引进RD-180发动机。因为RD-180推力达400吨，可以满足当前的载人登月任务需求。
RD-180发动机，双燃烧室
冷战结束后，美国航天部门的预算大幅削减，急需一款性能稳定价格便宜的火箭发动机，所以俄罗斯的RD-180发动机成为美国航天部门采购的对象。2018年1月，据Ars Technica（美国一家从事技术新闻深度报道的网站）报道，自2014年克里米亚危机以来，美国国会一直加大对本国航空航天业的压力，要求其终止使用俄罗斯生产的火箭发动机。一些议员要求联合发射联盟公司在其“宇宙神V号”运载火箭中停止使用俄制RD-180发动机。
联合发射联盟公司计划在下一个10年初期过渡到使用美国国产发动机，采用其他已经飞行或很快就要上线的美国火箭，俄制RD-180发动机的制造商正在寻求别的市场。Ars Technica报道称，中国对这一发动机感兴趣，但不想购买成品发动机，而是希望获得生产技术许可。
美国开始弃用RD-180发动机，俄罗斯开始同中国商谈火箭发动机领域的合作。不过，随着中国自己的500吨级火箭发动机的研发不断推进，可能意味着中国不需要引进俄罗斯的RD-180。
结束语
1990到2010年之间，中国将有限的航天资金，集中在载人航天（神舟与天宫系列）与探月工程项目上，具体到运载火箭分系统的研制上，主要是对长征二号、三号液体火箭的进行改进，但推力性能无本质提升。
为全面提高中国火箭的整体性能，通过多年技术攻坚，作为长征五号运载火箭动力的YF-100、YF-77大推力发动机早已研制成功。如今，克服此前发射失利的长征五号，又一次屹立在海南文昌发射基地，成功复飞。但是，长征五号并非中国航天的终点，更强大的长征九号重型运载火箭搭载着“载人登月”梦想，也已离我们不远。
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