长征五号大推力火箭：让中国火箭重新比肩欧美

5月31日上午，世界宇航联合会和中国宇航学会联合举办的世界月球会议在北京开幕，对比纸面上还在规划的登月探月计划，中国运载火箭技术研究院副院长鲁宇接受采访时又一次声明中国将于2014年首次发射新一代长征五号运载火箭，同日与会的中国探月工程副总师于登云接受采访时也提到了新型大运载火箭的话题，一时间中国新一代运载火箭成为热门话题。[详细新闻： 长征五号火箭2014年首次发射 运载能力翻倍 ]

随着中国航天事业的发展，对大型运载火箭的需求越来越多。航天五院的东方红四号卫星质量已经达到了5.1吨，下一代的东方红五号通信卫星将达到更大的6.5~7吨，这已经远超中国目前同步转移轨道运载能力最大的长征三号乙5.5吨的运载能力；中国载人航天工程在2017年后将进行大型空间站的建设，核心舱质量将达到20吨级别，这更远超现有长征二号F火箭9.2吨的LEO轨道运载能力；嫦娥探月工程在完成嫦娥一号二号的绕月，三号四号的落月后，采样返回的三期工程也需要更大运力的火箭才能实现；再往后10年在深空探测方面，对火星，木星，近地小行星和小行星带探测，也需要更大运力的运载火箭。因此发展大推力火箭，改变目前大幅度落后于世界运载火箭先进水平的局面，也是迫在眉睫。

YF-100液氧煤油发动机研制历程

按照设计，新一代的长征五号火箭在芯级上使用的是YF-77氢氧发动机，而助推器则使用的是YF-100液氧煤油发动机，这两款发动机都是属于全新研制的火箭发动机。实际上中国航天动力部门很早就对新一代运载火箭的发动机进行了预研，上世纪80年代张贵田院士就提出发展高压补燃液氧煤油发动机的设想，几经努力863计划将液氧煤油发动机列入规划。1988年他率领队伍开始研究性试验，到1990年全面开展关键技术攻关，1990年还从前苏联引进了2台RD-120高压补燃液氧没有发动机进行原理研究，此后1995年进行全系统发动机试车。以此为基础中国开始开发国产YF-100高压补燃液氧煤油发动机，1998年动力部门取得涡轮泵联试的成功，为开展高压补燃液氧煤油发动机铺平了道路，1999年120吨地面推力的大推力液氧煤油发动机正式立项，这就是后来人们熟知的YF-100发动机。

YF-100发动机推力略显不足

从技术上说，YF-100液氧煤油发动机并不突出。YF-100发动机地面推力约120吨地面比冲约300秒，真空推力约136吨比冲约335秒，喷口直径约1.4米。YF-100推力在高压补燃液氧煤油发动机中属于偏下水平，比苏联时代开发的的RD-171/180//191都要小得多，比参照的原型RD-120发动机倒是高出50%以上。虽然燃烧室压力略低，但比冲上YF-100和先进液氧煤油发动机如RD-180/191处于伯仲之间。总体技术上说YF-100的技术起点和档次相当不错，只是推力偏小，而且为了兼容3.35米和2.25米直径箭体的原因，无法改动喷管设计。自立项以来，YF-100早期虽然发生过试车事故，但进度还是很不错的，2005年完成300秒长程摇摆整机试车，2006年先后完成400秒试车和首次600秒长程摇摆试车。迄今为止，YF-100的总试车时间已经超过了2万秒。对比实际使用中仅工作160秒，YF-100液氧煤油发动机的可靠性已经得到了充分的检验。

中国艰难研制氢氧发动机

如果说液氧煤油发动机还有参照的话，那作为新一代运载火箭芯级的液氢液氧发动机可算得上白手起家了。中国研究氢氧发动机开展得很早，1970年就开始第一台氢氧发动机YF-70的研制，但是由于基础工业落后和低温氢氧发动机的高难度，发展道路艰辛无比，历经13年研制后，才在1984年进行了YF-73氢氧发动机的首次发射。尽管氢氧发动机首次使用的时间上领先于日本，但YF-73只是长征火箭二级游动发动机YF-23的氢氧版本，并非专门设计的氢氧发动机。

YF-77氢氧发动机的立项

中国第一台专业氢氧发动机的使用，则要到1994年2月8日长征三号甲运载火箭首次发射成功了，长征三号甲使用YF-75氢氧发动机，这也是目前长征三号甲、乙、丙迄今为止的唯一可选的氢氧发动机。不过，1994年2月3日日本H-II火箭首次发射成功，标志着LE-7大推力氢氧发动机开始投入使用。为了追赶世界先进水平，上世纪90年代中国开始大推力氢氧发动机的研制工作，在缩比试验阶段也试图使用LE-7发动机一样的高压补燃循环方式，在1997~1998年进行了多项试验达到了实验目的，当时规划的分级燃烧循环大推力氢氧发动机代号YF-78。此后不清楚是技术难度太大，还是欧空局火神/火神和美国RS-68发动机采用燃气发生器循环的影响，中国大推力氢氧发动机最终采用了燃气发生器循环设计，地面推力50多吨，代号YF-77，于2001年正式立项。

YF-77氢氧发动机比冲偏低

YF-77发动机在技术距离世界先进水平更远一些，其地面推力约52吨比冲约310秒，真空推力约70吨比冲约426秒，喷口直径约1.45米。从推力上说，YF-77可以说是新一代运载火箭氢氧发动机中推力最小的型号，不仅无法与德尔塔 IV火箭RS-68发动机的 344吨真空推力相比，也远低于阿里安5上火神2发动机的137吨真空推力和日本H-IIA/B火箭上LE-7A的112吨真空推力。当然，YF-77的推力不足在现有设计下影响不大，长征五号最大运载能力的构型也仅仅是使用了2台YF-77发动机，并不构成可靠性问题。不过在氢氧发动机的比冲上，YF-77发动机就偏低了。美国的RS-68发动机针对大气层内飞行环境做了优化，地面比冲高达359秒接近了航天飞机主发动机(SSME)的水平。日本的LE-7A发动机采用分级燃烧循环，在比冲上天然的对燃气发生器循环有优势，真空比冲442秒。

综合的说，YF-77发动机在技术上大致相当于欧空局火神发动机的水平。YF-77发动机自2001年正式立项以来进度上不尽人意，虽然2005年、2006年和2007年分别实现50秒、200秒和500秒的单次试车时间，但是试车中问题很多。好在目前YF-77发动机已经实现了超过1万秒的试车时间，单台发动机试车时间达到了5000秒，按现有进度足够保证2014年长征五号首飞。

YF-75D上面级发动机

长征五号火箭发射LEO轨道载荷时，使用一级半的结构，GTO轨道则使用二级半结构，在原有的YF-77发动机芯级之上增加了使用YF-75D发动机的上面级。YF-75D氢氧发动机是中国新一代上面级发动机，采用膨胀燃烧循环，以现有资料判断水平和欧空局的Vinci发动机相当，但推力只有Vinci的一半。从技术上说，YF-75D比日本现有的LE-5B和印度新开发的国产低温上面级发动机CE-7.5/CUS要强得多，不过也正因为如此，笔者很怀疑YF-75D能否赶上2014年长征五号的首次发射。

随着火箭发动机日益成熟，发展新一代运载火箭的呼声越来越高，2006年中央专委批准新一代运载火箭立项，2007年国防科工委批准启动研制计划。新一代运载火箭的发展趋势上使用模块化系列化设计，力图提高可靠性，降低发射成本，更好的满足航天发射的需求。

新一代运载火箭的技术可以归纳为：一个重点、两种动力系统、三个模块，即以发展5米直径芯级的大型运载火箭作为重点，发动机采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机这两种全新的动力系统，发展了5米直径、3.35米直径和2.25米直径箭体为基本模块，通过不同模块的组合，形成系列化通用化组合化的新一代运载火箭系列。早期的新一代运载火箭设计中包含5米、3.35米和2.25米三种直径为芯级的火箭，三种火箭合计14种构型，统一在长征五号的型号下，可谓家族庞大，不过只有5米直径芯级的运载火箭使用氢氧发动机。

多种组合方式的长征五号

在后继发展中，5米直径火箭2006年正式立项获得了长征五号的编号，预定2014年首次发射。它使用2台YF-77氢氧发动机做为5米直径芯级发动机，外部捆绑总计4个3.35米和2.25米助推模块，3.35米和2.25米模块分别使用2台和1台YF-100液氧煤油发动机。通过捆绑类型不同的助推模块，长征五号各种构型覆盖了GTO 6-14吨，LEO 10-25吨的运力范围。

长征五号综合性能比肩欧美火箭

在火箭综合指标上说，长征五号的LEO轨道运载能力不仅超过了欧空局阿里安5和日本H-IIA/B，也超过阿特拉斯V火箭和俄罗斯的安加拉火箭，尤其是由于文昌发射场纬度较低外加高性能氢氧发动机的优势，在GTO轨道运载能力上以14吨对7.5吨的优势远远超过安加拉火箭。虽然运载能力只是火箭水平的一部分，但能后来居上也不易，至少比印度研制全新的GSLV MKIII火箭，LEO只有10吨运力GTO不到4.5吨要好得多。

火箭制造使用前沿技术和最新材料

具体的火箭制造技术上，长征五号火箭推进剂储箱开始使用2219铝合金，这是美国土星五号火箭到航天飞机，苏联能源火箭和欧日新一代运载火箭广泛使用的材料。箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊(FSW)，这是1991发明，1998年美国才在运载火箭上首次使用的焊接技术，日本则是2009年H-IIB火箭才首次使用，搅拌摩擦焊和轻质铝合金的使用减轻了结构质量，提高了运载能力。此外长征五号火箭还是用了电气一体化设计与冗余，光纤通道火箭控制系统总线等先进技术，这些点点滴滴的进步奠定了新一代运载火箭高水平的基础。

虽然长征五号尚未发射，但它的研制成功将我国运载火箭技术水平提高一个档次，同时长征五号的运载能力也有成倍的提高。长征五号研制成功后，中国运载火箭综合性能指标将比肩美欧等航天强国，但我们也应该看到中国的火箭发动机特别是氢氧发动机方面与国际先进水平相比仍有相当差距，前面仍有一段很长的路要走。