中國火箭的“心臟病”

我們的火箭除了推力小一些意外，循環(huán)方式上也不夠先進。液體火箭發(fā)動機的技術先進與否性能高低很大程度上取決于其循環(huán)方式。

簡單來說，循環(huán)就是指將推進劑通過不同方式和路徑輸送到燃燒室的整個過程，這是一個實現起來很復雜的過程。比較簡單的循環(huán)方式是擠壓循環(huán)，就像是注射器給人打針那樣，靠壓力將燃料擠入燃燒室中。可以通過簡單地為儲箱增壓，通過壓力將燃料和氧化劑壓到燃燒室燃燒。擠壓循環(huán)的優(yōu)點就是避開了結構復雜的渦輪機，泵和輸送管道。使用擠壓循環(huán)可以大幅降低發(fā)動機成本和復雜度。但是這種方式的弊端也同樣明顯，因為壓力不能過大，否則儲箱受不了，而且隨著燃料的逐漸消耗，壓力會逐步減少，且攜帶的壓力裝置數量有限，這樣燃料的輸送量就受到限制，很難將其用于大推力的運載火箭發(fā)動機，主要用于一些小推力火箭。

于是，人們發(fā)展了用渦輪泵將燃料和氧化劑泵入燃燒室。那么用什么來驅動這個泵呢？最早的是便是燃氣發(fā)生器，這就誕生了燃氣發(fā)生器循環(huán)。燃氣發(fā)生器循環(huán)是一種開式循環(huán)，最終的“廢氣”（實際上仍然含有一定能量）要排放到發(fā)動機以外，不能充分利用燃料的“剩余價值”。

于是，人們就想到，用發(fā)動機燃料的在預燃室燃燒來驅動渦輪泵，通過渦輪泵將大量的燃料泵入燃燒室的同時，第一次燃燒后的氣體進入主燃燒室進一步燃燒，這就是分級燃燒循環(huán)，也被稱為高壓補燃循環(huán)。這就大致相航空發(fā)動機加裝“加力燃燒室”，坦克發(fā)動機用上了廢氣渦輪增壓（當然不是那么準確）。更重要的是，燃燒室此時進行的是“液-汽”燃燒，要比“液-液”燃燒更可控和充分，當然最充分的是“氣-氣”燃燒。這種循環(huán)發(fā)動機燃燒充分，利用效率高，再加上預燃室的推進劑流量大，可以為渦輪泵提供足夠的工質，讓發(fā)動機能在更高的室壓下工作，并獲得更高的性能。當然，這種循環(huán)方式的泵、渦輪和管路系統質量大、復雜，研制難度和成本高。一般來說，大推力發(fā)動機主要是使用燃氣發(fā)生器循環(huán)和分級燃燒循環(huán)，而后者的比沖通常較高，代表著大推力發(fā)動機的先進循環(huán)方式。

除此之外，還有一種膨脹循環(huán)方式。這種循環(huán)方式，燃料燃燒前通常被主燃燒室余熱加熱，當液態(tài)燃料通過在燃燒室壁里的冷卻通道時，“膨脹”為氣態(tài)。膨脹后的氣壓差推動渦輪泵轉動，從而使推進劑高速進入燃燒室燃燒產生推力。這種循環(huán)方式要比分級燃燒結構更為簡單，但是現有產品的推力比較小，主要用于液氫液氧上面級。但是日本正在研制的打算用于H-3火箭芯主發(fā)動機的LE-9發(fā)動機采用了膨脹排放循環(huán)，真空推力高達150噸，比H-2B運載火箭的采用分級燃燒形式的芯級主發(fā)動機LE-7還高出不少。

日本在研的LE-9開式膨脹循環(huán)發(fā)動機

長征-5芯級使用的YF-77液氫液氧發(fā)動機就是一種燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機，它與先進國家的大推力氫氧機，包括日本的H-2B使用的分級燃燒的LE-7氫氧機相比技術上仍然落后不少，不僅推力?。ú坏絃E-7的一半），而且比沖也偏低。而YF-100的研制成功，雖然使中國成為世界上第二個掌握高壓補燃煤油機技術的國家，但是與俄羅斯的煤油機的推力仍有差距，美國不用高壓補燃煤油機，更主要的原因還是技術路線的問題，而非不能。

和重型“德爾塔-4”火箭一比，就能看出長征-5號和世界先進水平差在哪里。重型“德爾塔-4”的LEO運載能力超過了長征-5號，GTO能力相當，但是起飛重量卻只有732噸，比長征5號輕了近140噸。重型“德爾塔-4”的一級包括一個芯級和兩個助推器，兩側的助推器和芯級都是一樣的5米直徑構型，只用了3臺RS-68A氫氧發(fā)動機。RS-68A是一種先進的燃氣發(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動機，其海平面最大推力3137千牛（是YF-77的6倍多），真空比沖411.9秒。其實真空比沖不算高，但是他針對大氣層內飛行進行了優(yōu)化，海平面比沖超過YF-77不少?？陀^來說RS-68A雖然推力高，但循環(huán)方式并不是太先進，真空比沖在氫氧機種也不算高，如果和日本的LE-7系列比較，比沖就更小些了。

重型德爾塔-4運載火箭

總體說，長征-5的發(fā)動機技術，如果放在美俄，大概是在上世紀60年代初中期就實現了的。但是我們不能簡單地說長征-5的火箭發(fā)動機就是上世紀60年代的水平，因為那是一個火箭發(fā)動機大發(fā)展的時代，一些“史詩般”的作品和技術就誕生在那個年代。例如，美國用于登月火箭的F-1燃氣發(fā)生器循環(huán)氫氧機，截至目前仍然是世界第一大推力的單燃燒室液體火箭發(fā)動機。那個年代蘇聯研制的用于登月火箭N-1的NK-33高壓補燃煤油機，封存到了新世紀，啟封后還賣給美國公司組裝“安塔瑞思”火箭。

通過上面的介紹，我們大概也了解到，火箭發(fā)動機同樣是航天業(yè)急需提升的一個弱項，就像發(fā)動機對于航空工業(yè)一樣。所以有知乎用戶調侃：“其實國產火箭發(fā)動機一直就是弱項，萬戶當年就是因為國產發(fā)動機不行才失敗的?！?/p>

人們有一種印象，認為中國航天發(fā)射的成功率很高，但是根據航天科技集團專家的統計，在本世紀初設想研制長征-7號和長征-5號的時候，長征系列運載火箭在當時10種主要運載火箭中，其發(fā)射成功率位居第七，處于中間偏低的位置。長征-3甲系列運載火箭經過多輪的可靠性提高改進，才使其可靠性達到較高的水平，但是其總發(fā)射量相對美俄經典火箭偏少，一次失敗，就會令其總體成功率降低不少。

其我國目前使用的長征-2、長征-3和長征-4號運載火箭的基本設計都脫胎于上世紀70年代研制的東風-5號洲際彈道導彈。而東風5號的發(fā)動機采用的發(fā)動機基本上是美、俄上世紀五十年代末的技術。

當然，火箭使用的液體火箭發(fā)動機也不能光去拼比沖、推力、推重比等硬指標，可靠性、成本更是需要考慮的重要方面。從這方面來看，我國新一代火箭各項指標還是比較均衡的。當長征-5號成功的時候，我們應該在為鼓掌、感到歡欣鼓舞的同時，也要看到并正視差距。當長征-5號失敗的時候，也要知道，這是中國在長期有限的資金和科研投入長期欠賬下取得的難得的成就。

同時，我們有理由對中國火箭的未來更有信心。

畢竟長征5號的研制團隊平均年齡只有35歲，長征5號，只是一個開始。

未來屬于他們。

在我們普通人看來，今天看到長征五號這次發(fā)射的失利，感覺很痛心。但是在航天工業(yè)發(fā)展的歷史長河中，這樣的失敗真的不算什么。中國航天曾經面對的壓力和困難遠非現在能夠想象的。但是，一路走來，航天人披荊斬棘，克服一個一個困難，一直走到了世界航天工業(yè)第一集團。我們相信沒有什么困難是不能克服的。

最后，我們用中國航天之父錢學森的一句話與航天人一起共勉：”科學試驗如果次次都能成功，那又何必試驗呢？經過挫折和失敗，會使我們變得更聰明。”

文/張亦馳 來源：看空天

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