劉朝暉

中國新一代中型運載火箭長征七號6月25日在新建成的海南文昌航天發(fā)射場首飛成功，標志著中國載人航天工程空間實驗室任務(wù)順利開啟。這是長征系列運載火箭的第230次飛行，同時也是中國以建設(shè)空間站為目標的空間實驗室任務(wù)第一次發(fā)射。中國載人航天工程新聞發(fā)言人武平說：“空間實驗室任務(wù)之后，我國將真正邁入空間站時代的大門?！?/p>

在接下來的幾個月中，中國將陸續(xù)發(fā)射天宮二號目標飛行器、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船。同時，中國目前研制規(guī)模和技術(shù)跨度最大的航天運輸系統(tǒng)工程——長征五號運載火箭也將于今年下半年在海南文昌航天發(fā)射場擇機發(fā)射。屆時，中國新一代運載火箭全部在研型號將得到全面技術(shù)驗證。

長征七號的成功發(fā)射，也是我國全新大推力火箭發(fā)動機取得進步的顯著標志。隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，未來還有大量的發(fā)射計劃，對于新一代火箭的要求有增無減，既要擁有更大的運載能力，還要進一步降低成本。因此發(fā)展大推力火箭發(fā)動機，改變目前大幅度落后于世界運載火箭先進水平的局面，也是迫在眉睫。

藍色尾焰的奧秘

伴隨著振聾發(fā)聵的轟鳴聲，長征七號騰空而起，直沖云霄。夜空中火箭噴出的橘紅色尾焰，形成一幅壯麗的畫面。當現(xiàn)場觀摩發(fā)射的人群在為此歡呼之時，中國航天的動力技術(shù)研發(fā)人員卻在為這已經(jīng)司空見慣的場面中的一點不同而興奮，因為他們知道，這一點不同的出現(xiàn)，是對他們辛勤的研發(fā)投入最好的回報。

這一點不同，是長征七號橘紅色尾焰中的那一抹充滿神秘的藍色！正是這一點藍色，表明了長征七號采用的是不同于以往的新型火箭發(fā)動機。航天科技集團一院長征七號運載火箭副總指揮張濤向媒體解釋，“為什么點火時尾焰的顏色中會有點藍？主要是燃料出現(xiàn)了變化。”他說，長征七號采用無毒無污染的液氧煤油作為燃料，較常規(guī)推進劑比沖提高20%，推力提高了60%，不僅秉承了中國航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)國際潮流，還降低了成本提高了火箭性能。

采用全新的大推力液氧煤油發(fā)動機動力系統(tǒng)，是長征七號最根本的變化。這顆更強壯的“心臟”，一舉將我國中型運載火箭低軌道的運載能力由8.6噸提高至13.5噸，達到國外同類火箭先進水平。未來，長征七號火箭將成為中國未來航天發(fā)射任務(wù)的“主力軍”，承擔中國80%左右的發(fā)射任務(wù)。

資料顯示，長征七號使用了新型的YF-100、YF-115液氧煤油發(fā)動機，其中火箭芯一級安裝兩臺推力為120噸的YF-100發(fā)動機，4個直徑為2.25米的助推器，分別安裝單臺YF-100發(fā)動機；火箭芯二級采用4臺單機推力為180噸的YF-115發(fā)動機。

據(jù)了解，之前我國使用的火箭發(fā)動機單臺推力是70噸左右，火箭的運載能力在9噸上下。120噸級的液氧煤油發(fā)動機采用了目前世界上最先進的高壓補燃循環(huán)系統(tǒng)，可謂世界航天動力領(lǐng)域的“珠峰”。其推力比我國現(xiàn)有長征系列運載火箭發(fā)動機提高60%以上，火箭運載能力是原來的3倍左右；不僅采用的推進劑、循環(huán)方式與常規(guī)發(fā)動機不同，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設(shè)計參數(shù)上，也比現(xiàn)有發(fā)動機高出數(shù)倍，在推力噸位、性能方面有大幅度提高。

由于液氧和煤油都是環(huán)保燃料，燃燒后只生成水和二氧化碳，不像以往的火箭發(fā)動機燃料會產(chǎn)生劇毒，因此液氧煤油發(fā)動機沒有污染，而且易于存貯和運輸。同時，液氧煤油比常規(guī)發(fā)動機推進劑便宜60%，而且可靠性更高。

大推力液氧煤油發(fā)動機的研制成功，填補了中國高壓補燃循環(huán)發(fā)動機的技術(shù)空白，縮短了中國液體火箭發(fā)動機技術(shù)水平與國外的差距，奠定了中國未來航天動力系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，也標志著中國成為繼俄羅斯之后第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機核心技術(shù)的國家。

艱難的研制歷程

從某種程度上說，探索太空的能力，取決于航天發(fā)動機的推力。我國現(xiàn)役長征系列運載火箭，有過推舉神舟九號與天宮一號圓滿完成載人交會對接任務(wù)的輝煌，但其推力已經(jīng)不能滿足未來航天技術(shù)發(fā)展的需求，研制新一代液體火箭發(fā)動機顯得格外迫切。

大推力液氧煤油發(fā)動機的研制，走過了一段相當艱辛的研制歷程。

從1986年起，國家就對我國新一代航天動力的發(fā)展思路進行了論證，在1990-1995年間，我國引進了國外先進的液氧煤油補燃循環(huán)發(fā)動機，開展了相關(guān)技術(shù)的消化吸收，隨后開展了國產(chǎn)120噸級液氧煤油發(fā)動機的技術(shù)研究。2000年，國家正式對該項目立項，液氧煤油火箭發(fā)動機正式進入了工程研制階段。2012年，新一代大推力120噸液氧煤油火箭發(fā)動機在中國航天科技集團第六研究院點火試驗獲得成功。

自2000年國家正式立項進入工程研制至點火成功的12年間，這臺液氧煤油發(fā)動機已先后進行了百余次試車。從研制高壓補燃循環(huán)發(fā)動機開始，已突破80余項關(guān)鍵和核心技術(shù)，先后研制出3種基本型發(fā)動機，以及5種適應(yīng)不同火箭總體飛行狀態(tài)的發(fā)動機。

大推力火箭發(fā)動機作為世界航天動力領(lǐng)域的技術(shù)高點，研制過程并非一帆風(fēng)順。在整機研制初期，失敗與挫折是家常便飯。

據(jù)了解，液氧煤油發(fā)動機各方面性能都有大幅度提高，這就意味著發(fā)動機及各部件要在比現(xiàn)有發(fā)動機更惡劣的條件下工作。這不僅加大了發(fā)動機的設(shè)計難度，而且對加工、試驗設(shè)備以及材料、工藝等提出了更高的要求。

如同飛機起飛和降落是最難控制的時段一樣，液體火箭發(fā)動機的起動和關(guān)機是最復(fù)雜最難設(shè)計的動態(tài)過程，尤其是起動過程，在零點幾秒內(nèi)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動件要從不轉(zhuǎn)動加速到每秒幾萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速；燃燒組件要從環(huán)境溫度達到三四千攝氏度的高溫，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。任何一個環(huán)節(jié)設(shè)計不好，都可能導(dǎo)致發(fā)動機故障甚至爆炸。

液氧煤油發(fā)動機剛開始進行的幾次整機試車都失敗了，外界也出現(xiàn)了質(zhì)疑聲。經(jīng)過緊張激烈的艱苦攻關(guān)，設(shè)計人員終于摸清了試車失敗的根源，設(shè)計了最理想的起動方案和起動程序?？蒲腥藛T正是憑著鍥而不舍的精神，連續(xù)闖過了渦輪泵聯(lián)動試驗、半系統(tǒng)試驗、整機試驗三大難關(guān)，成功實現(xiàn)整機600秒長程試驗。

在國外航天專家眼里，建設(shè)一座數(shù)百噸推力規(guī)模的發(fā)動機試車臺，從主體奠基到正式試驗投產(chǎn)，至少要用三年時間，而航天科技集團六院僅用了一年半。經(jīng)過考臺試車和正式試車的驗證，這座亞洲第一試車臺的總體設(shè)計、技術(shù)、設(shè)備等指標均達到了國內(nèi)外先進水平。

大推力液氧煤油發(fā)動機的研制成功，為我國下一步空間站建設(shè)以及深空探測提供了堅實的動力支撐。

與世界先進仍有差距

按照設(shè)計，今年下半年將發(fā)射新一代的長征五號火箭。雖然長征五號尚未發(fā)射，但它的研制成功將我國運載火箭技術(shù)水平提高一個檔次，同時長征五號的運載能力也有成倍的提高。據(jù)悉，長征五號在芯級上使用的是YF-77氫氧發(fā)動機，而助推器則使用的是YF-100液氧煤油發(fā)動機，雖然兩款發(fā)動機都是屬于全新研制的火箭發(fā)動機，但是不可否認的是，橫向比較，我們的大推力火箭發(fā)動機技術(shù)與國際的先進水平相比，依然存在著不小的差距，前面仍有一段很長的路要走。

如果說液氧煤油發(fā)動機還有參照的話，那我國研制新一代運載火箭芯級的液氫液氧發(fā)動機可算得上白手起家了。中國研究氫氧發(fā)動機開展得很早，1970年就開始第一臺氫氧發(fā)動機YF-70的研制，但是由于基礎(chǔ)工業(yè)落后和低溫氫氧發(fā)動機的高難度，發(fā)展道路艱辛無比，至今僅有兩種小型氫氧發(fā)動機YF-73和YF-75投入使用，最大推力不過8噸。2001年立項的YF-77雖然已經(jīng)定型投產(chǎn)，但其推力僅50噸，可以說是國際上新一代運載火箭氫氧發(fā)動機中推力最小的型號。

在液氧煤油火箭發(fā)動機領(lǐng)域，蘇/俄長期處于世界領(lǐng)先地位。1950年代，蘇聯(lián)就率先研制成功RD107/108液氧煤油發(fā)動機，以其為動力的“聯(lián)盟”號運載火箭將首位航天員加加林送上太空。隨后蘇聯(lián)又研制了推力150噸級的NK-33液氧煤油發(fā)動機，計劃用于載人登月的N-1火箭，但由于技術(shù)過于復(fù)雜，4次試驗全部失敗。不過蘇聯(lián)并未因此止步，在1970年代至1980年代成功研制了推力740噸級的RD-170發(fā)作“能源”號火箭的助推器，遺憾的是這一計劃由于蘇聯(lián)解體而終止。此后，俄羅斯又推出了380噸級的RD-180和200噸級的RD-191，并向美國、日本、印度、韓國及歐洲等國出口液氧煤油發(fā)動機產(chǎn)品及技術(shù)。近期也有不少傳聞?wù)f俄羅斯正在向我國推銷RD-180發(fā)動機，而美國出于成本的考慮，已經(jīng)從俄羅斯進口了不少RD-180發(fā)動機。

另一個航天巨人美國，在1960年代就研制了推力高達680噸的F-1液氧煤油發(fā)動機，用于迄今為止最大的運載火箭“土星五號”，實現(xiàn)了人類首次登月。而目前美國重型德爾塔4火箭使用的使用的大推力氫氧發(fā)動機RS-68，地面推力超過300噸。

對比美歐航天強國，中國缺少大推力高比沖的氫氧發(fā)動機，缺少大推力液氧煤油發(fā)動機和大推力的固體發(fā)動機，長征五號的YF-77和YF-100發(fā)動機仍然存在推力偏小的問題，這導(dǎo)致火箭設(shè)計復(fù)雜化，將降低火箭的固有可靠性。

為了在大推力運載火箭技術(shù)上追趕航天強國，同時也為了滿足未來載人登月和空間站建設(shè)等需求，中國已經(jīng)開始了新一代大推力發(fā)動機的研制。據(jù)悉，中國運載火箭技術(shù)研究院下屬首都航天機械公司已經(jīng)啟動220噸級氫氧發(fā)動機預(yù)先研究工作，該型發(fā)動機將用于重型運載火箭，它的推力是現(xiàn)有大氫氧發(fā)動機推力的近4倍。

2015年，國防科技工業(yè)局已經(jīng)正式批準重型火箭的關(guān)鍵技術(shù)深入研究，主要包括兩方面，其一是總體技術(shù)，其二是發(fā)動機技術(shù)，從而實現(xiàn)重型火箭起飛推力在長征五號大型火箭1000噸的基礎(chǔ)上提升至2000—3000噸的目標。重型運載火箭是指火箭起飛推力在3000噸上下、近地軌道運載能力在100噸左右的火箭，主要用于載人登月任務(wù)和發(fā)射大型深空探測器。

我國計劃用4—5年時間突破重型火箭總體設(shè)計，以及460噸液氧煤油發(fā)動機、220噸氫氧發(fā)動機和9米左右直徑火箭箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造等關(guān)鍵技術(shù)，用15年左右完成研制，爭取在2030年前后實現(xiàn)首次飛行。

2012年，中國航天科技集團公司對外公布長達80多頁的《2011年度社會責(zé)任報告》，在這份報告中，中國航天科技集團公司首次對外發(fā)布長征九號巨型火箭外形示意圖。從圖中可以看到到這種火箭比長征五號重型火箭龐大得多，應(yīng)該就是研制中的重型運載火箭。如果研制成功，無疑將使中國航天事業(yè)邁入一個嶄新的時代。

長征七號還有哪些過人之處？

一 、研制流程無紙質(zhì)圖紙？用上“虛擬現(xiàn)實”

“長七”火箭在全研制流程沒有一張紙質(zhì)圖紙，火箭設(shè)計從紙質(zhì)“連環(huán)畫”變成了“3D電影”。在生產(chǎn)加工階段火箭實現(xiàn)了“一鍵式”加工。

在試驗、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”，對火箭進行虛擬裝配、虛擬試驗，真實模擬火箭實際裝配和試驗環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題。

二 、大個子“長七”火箭轉(zhuǎn)場能轉(zhuǎn)彎

因為要和長征五號火箭共用一個轉(zhuǎn)運軌道，節(jié)省占地面積，“長七”火箭在轉(zhuǎn)場過程中要拐4 個60 度的彎。

由于火箭轉(zhuǎn)場時“頭”部包裹著衛(wèi)星，行走起來“頭重腳輕”，因此要“小步慢行”，轉(zhuǎn)彎時速度不能超過每分鐘15米，行駛速度每分鐘不能超過30 米。汽車要轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)動方向盤就能輕松完成。而火箭轉(zhuǎn)彎則要依靠活動發(fā)射平臺。

為攻破這項技術(shù)難題，航天科技集團一院專門成立項目組，并進行了大量的仿真計算和試驗。經(jīng)過3 年的努力，才取得發(fā)射平臺轉(zhuǎn)彎行走原理試驗的成功。

長征七號地面設(shè)備副主任設(shè)計師吳夢強說：“這是航天發(fā)射支持系統(tǒng)的一次重大突破。目前，除日本外，我國是第2 個掌握‘單軌差速轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國家，也是繼美國、歐空局、日本之后第4 個掌握‘發(fā)射平臺轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國家，縮短了我國在發(fā)射設(shè)備領(lǐng)域與其他航天大國的差距?！?/p>

三 、火箭也有“臍帶”

現(xiàn)役火箭的管道、電纜都在發(fā)射塔架上，這些“臍帶”在火箭起飛前通過遙控自動脫落。作為新一代運載火箭，長征七號還有這專門承載火箭加注管道、供氣管道的裝置——臍帶塔。

長征七號地面設(shè)備副主任設(shè)計師吳夢強介紹說，長七火箭將首次在非內(nèi)陸發(fā)場執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，而我國臺風(fēng)預(yù)測能力僅能提前1 周，天氣的不確定性決定了火箭不能在發(fā)射陣地如此長時間工作，為此，設(shè)計人員專門設(shè)計了臍帶塔，火箭轉(zhuǎn)場過程中可以保證所有連接狀態(tài)不變，到發(fā)射陣地后直接進行加注發(fā)射，縮短在火箭發(fā)射陣地的測試時間?！?