大会聚焦 » 中国火箭发动机排名垫底,原因没有那么简单

3月10日0时28分,巨大的轰鸣声响彻大凉山,长征3号乙运载火箭托举着中星6C卫星从西昌卫星发射中心腾空而起,随后卫星成功进入预定轨道。这一刻,中国长征系列运载火箭的发射次数正式刷新为“300”。长征系列运载火箭成功实现300次飞行,是中国航天发展历程中的重要历史节点。这是中国航天事业由量变向质变发展的新起点,也是中国从航天大国向航天强国迈进的重要里程碑。

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然而,在取得这些令人瞩目成就的同时,我们仍要看到落后与不足。自我们有记忆以来,各式各样的发动机成为了诸多尖端领域的“心痛”,火箭发动机也不例外。不得不承认,在火箭发动机性能的对比中,尤其是代表高技术的液态发动机,中国火箭发动机仍落后美俄不少,甚至日本、印度在某些单项技术都会领先中国。

 

我们不能因此苛责航天人的努力,因为他们已经在有限的条件下做到了极致,然而差距的弥补与赶超,仍需要所有相关行业共同努力。

 

世界航天史上的著名火箭发动机

 

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美国执行阿波罗登月计划时使用的土星-5号运载火箭所采用的F1发动机是首屈一指的,半个世纪前,该发动机的地面推力就达到了惊人的690吨。

 

众所周知,载人航天对火箭推力要求很高。而F1发动机作为有史以来人类制造的推力最大的单燃烧室液体火箭发动机,着实领先很多。

 

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前苏联能源号火箭使用的RD-170发动机,作为人类历史上最大推力火箭发动机,单台地面推力达到惊人的800吨(也有人认为它是四台发动机并联,但共享燃气发生器和涡轮泵),甚至超过F1发动机,一台发动机就几乎相当于中国长征系列采用的火箭发动机如YF-20B的十台以上。

 

苏联80年代中期砸钱发展航空,前后花费超过50亿美元,完成了惰性合金的研制,以及和废气补燃技术,这台划时代的超级发动机衍生型号RD-180(相当于把RD170一分为二)同时也被美国人重用,17年间用这个发射了71次火箭,仅出现一次故障。

 

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随着科技的不断进步,上述惊世骇俗的液氧煤油发动机已经逐渐退出了主流,而取而代之的则是氢氧火箭发动机。目前最强型号是把美国德尔塔4型重型火箭送去火星的RS-68火箭发动机,地面推力达到了290吨。

 

除此之外,美国186吨推力的SSME发动机,欧洲空间局的阿里亚纳-5火箭,装备地面推力130吨的火神氢氧发动机,和日本H-2A火箭,使用地面推力达117吨的LE-7氢氧发动机

 

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中国在役火箭发动机

 

中国目前使用的推力最大的火箭发动机是YF-100与YF-77。 YF-100发动机,是新一代液氧/煤油发动机,地面推力达到120吨。长征5号芯级周围捆绑有4个3.35米直径助推模块,每个模块上安装两台YF-100发动机。也就是说,长征5号在起飞阶段时,8台YF-100发动机,共提供960吨的推力,这个推力占长征5号总起飞推力的90%以上。另10%的起飞推力,由芯一级的两台YF-77提供。YF-77是液氧/液氢发动机,其单台地面推力仅50吨!可以说,面对如此多体量巨大的前辈,中国在火箭发动机领域还只是小弟。有网友调侃:“其实万户当年飞天就是因为国产发动机不行才失败的。”

 

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运载火箭的性能,主要由其所采用的发动机决定。我们必须看到,几十年前美俄就已经研制并成功使用了推力远大于我们的火箭发动机,在液氧/液氢发动机领域,早在1970年代末,美国就为航天飞机研制了单台地面推力219吨的主发动机,每架航天飞机的轨道器上,安装有3台这种发动机。在航天飞机退役后,美国人又研发出单台地面推力为290吨、真空推力344吨的RS68发动机……

 

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长征五号总体布局

 

1990年到2010年之间,中国将有限的航天资金,主要集中用在载人航天(神舟和天宫系列)与探月工程项目上,具体到运载火箭分系统的研制上,中国主要是集中精力提高老旧型号长征2/3号液体火箭的推力与安全性,或者说,为了将人送入太空,中国所做的主要工作,就是对老旧型号的长征2/3系列火箭进行改进、再改进……且这些老旧型号火箭的起飞发动机,使用的是偏二甲肼和四氧化二氮这类有毒推进剂。

 

在这20年里,中国没有推出过大推力的新型火箭发动机。而在这20年里,美俄两国的运载火箭技术继续保持优势,日本和欧盟的运载火箭技术进步也很大,甚至印度,也在运载火箭的某些单项技术方面,超过了中国。

 

但有一点必须强调的是,中国在发动机技术并不先进的情况下,却开发出运载能力不亚于美俄欧日同级别大推力火箭的长征5号火箭,这是一件值得全体中国人高兴的事。这表明,在运载火箭的顶层设计及系统集成方面,中国已达到世界一流水平。如果中国能搞出技术更先进、推力更大的发动机,中国的运载火箭设计师就有能力、有实力开发出领先美俄欧日的重型运载火箭。

 

值得庆幸的是,中国已意识到自己在大推力火箭发动机研制方面的落后,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,将是中国下一代重型火箭长征9号的主力发动机。

 

除了技术,还有需求和成本

 

其实我们不难发现,冷战结束后,耗资巨大而意义有限的航天逐渐走向经济型航天,美国虽然上世纪70年代就完成了登月,此后甚至一度多年依靠苏联的运载火箭将自己的宇航员送入国际空间站。

 

当然,美国航天依赖俄制火箭,主要并非技术原因。之前的火箭基本属于一次性设备,成本控制是个很大的问题。冷战结束后,美国航天部门的预算大幅缩减,急需一款性能稳定且价格便宜的火箭发动机。从价格上来看, RD-180发动机大致相当于1000万美元一台,而美国航空喷气公司提出的LOX AR-1型火箭发动机方案,单台LOX AR-1型火箭发动机的报价就是2500万美元,还没有分摊美国10亿美元的研发费用,成本超过进口俄罗斯的两倍还要多。因此,RD-180发动机的低价格成为美国火箭发动机无法比拟的优势。

 

我国并没有着急研制推力动辄上百吨的火箭发动机,并非技术难以逾越,而是在航天其他技术相对更为落后的情况下,让资源能够最大限度发挥效用的有效博弈。实际上,世界上其他国家,也在走这样的道路。

 

例如印度的PSLV火箭,50吨级推力,近地轨道3.25吨。不要说比长征5号的LEO(近地轨道)25吨运载能力,就是比长2F的LEO9吨,也是小巫见大巫啊。可就是这样一枚连网友们都不拿正眼看的极地卫星火箭,在2013年11月5日,将印度首个月火星探测器发射升空,亚洲第一。这样低的成本,这样低的技术,这样高的效益。同在亚洲超过印度几个身位的日本、中国,其实很值得反思。

 

美国民营航天公司SpaceX的猎鹰9运载火箭,近地轨道LEO22.8吨;地球同步转换轨道GTO8.3吨。一级9台50吨级的煤油机Merlin发动机并联,开式循环。设计极致简约,与分级循环高压补燃什么的高技术完全绝缘。长径比达到让人惊讶的19,干质比超过25,完全突破行业经验值。公司CEO马斯克称造价只有1600万美元,发射价格5400-6200万美元,比俄罗斯质子号的7000万-1亿美元要便宜很多。完全一副经济实用型的样子,业界评价是“将改变商业发射规则”。

 

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猎鹰9号搭载的载人龙飞船

 

当然,中国也在搞低成本发射,主要是小卫星领域。比如长征6号,基本型700千米高度国内测控太阳同步轨道SSO运载能力将达到0.7吨(全球测控1吨)。发展型长6A的SSO轨道的运载能力提高到4吨左右,通吃中小LEO轨道和SSO轨道发射市场。一个小型煤油机火箭的改型,就会让高大上的中型机长征7号很不舒服。为什么?成本低啊。

 

不过,螳螂捕蝉黄雀在后,长6盯着长7的地盘,长11还盯着长6的饭碗呢。长7首发5天后的2015年9月25日,中国固体小型火箭长征11号一箭四星荣耀首发,700KM轨道达350kg。350公斤,别嫌小啊, 未来小卫星、微卫星的市场大着呢。何况长11还可以加以改进,设计一个增推型?

 

再加上长征11的测试-发射24小时急速快递,成本也超低:长11不要火箭发射场,不要勤务塔、不要脐带塔、不要导流槽,不要发射台,给一片平地就能发射。