天地之間，來去自如——液體火箭發動機的故事

□ 張美書 張 平

2012年6月16日，茫茫戈壁，見證了液體火箭發動機創造的又一段傳奇。

“五、四、三、二、一，點火！”，0號指揮員摁下按紐，酒泉衛星發射基地發射塔矗立的火箭底部，騰地升起一團火焰，瞬間火焰膨脹，伴隨震耳欲聾的聲音，巨大的煙霧鋪天蓋地，而火箭已經離開地面，載著景海鵬、劉旺、劉洋等3名中國航天員的神舟九號飛船朝著浩渺的太空去……

霎那間，酒泉衛星發射基地指揮大廳里，掌聲如雷，神舟九號發射成功的喜悅讓所有人都為之激動欣喜。

然而，譚永華那顆懸著的心，仍然沒有落地。作為中國航天科技集團公司第六研究院院長，譚永華深知，只有等到3名航天員安全返回，航天科技六院為載人交會對接任務研制交付的近百臺發動機，才算真正完成了使命，那個時候，才是六院職工慶祝的時刻。而這一刻，伴隨著6月29日3名航天員健康“回家”。譚永華的臉上，才真正露出了欣慰的笑容。

飛向太空，匯聚沖天能量

YF-77發動機點火試驗

液體火箭發動機，是火箭、飛船和飛行器的動力之源，是人類問鼎太空的“天梯”。航天科技六院是我國唯一集運載火箭主動力系統、軌姿控動力系統及空間飛行器推進系統研究、設計、生產、試驗為一體的航天液體動力研究院。從神舟九號點火升空，準確入軌，與天宮一號實現自動、手控交會對接，到航天員返回地面，六院研制了近百臺功能各異、性能優越的全系列發動機，確保了此次載人交會對接任務圓滿完成。

發動機是火箭和飛船的心臟，也是最容易“出事”的部位。美國的挑戰者號航天飛機的失事，就與發動機有關。而從神舟一號到神舟九號，航天六院所提供的發動機成功率達到100%。人們不禁要問，航天六院研制的液體火箭發動機是如何確保中國航天員在天地之間來去自如的呢？

國防科工局副局長胡亞楓（右一）、航天科技集團公司總經理馬興瑞（右二）等指導新一代運載火箭發動機試車

航天科技六院慶祝交會對接獲得成功

1992年3月22日的驚魂一幕仍然歷歷在目：在西昌衛星發射中心，長征二號捆綁火箭托著“澳星”聳立在發射架上。隨著倒計時的喊聲，8臺助推發動機和一級發動機同時點火，火箭噴出烈焰，但又猛的收縮，開始熄滅。長二捆火箭只是輕微的一晃，并沒有騰空而起。緊急關機，但火箭泄漏的燃料煙霧仍籠罩著整個箭體，400多噸重的火箭只靠著一個支點撐著，就像一顆巨大的炸彈。如果爆炸，發射場將成為一片火海，半徑6千米內地面的氧氣將被奪去，靠肺呼吸的生物將窒息。

“難道是發動機出了問題？”遠在千里之外的航天科技六院一萬余名職工，心都提到了嗓子眼。事后經過分析，發動機沒有問題，是負責點火控制的程序配電器有鋁質多余物，導致發射未能成功。

液體火箭發動機，再一次經受住了嚴峻的考驗。

液體火箭發動機是高溫、高壓、高熱流密度的復雜系統，融合了熱力、氣動、燃燒、流體等多個學科，涉及到機械、材料、化工等多種行業，其發展水平是一個國家進入空間、利用空間能力的重要標志，是綜合國力的體現。

六院科研人員介紹，人命關天，作為中國首次載人交會對接任務，最重要的目標就是確保安全。就發動機來說，有“兩怕”，分別是堵和漏。特別是飛船的動力系統，有些管路口徑細到0.2毫米，特別怕堵。而推進劑方面，又害怕漏。漏了，主動力就達不到要求，無法把飛船送上預定的軌道。與神舟八號相比，神舟九號飛船發動機防堵防漏的能力進一步提高。比如一些交叉焊縫的質量一致性和穩定性不夠，容易受震后發生斷裂等情況。他們就通過結構改造，用整體鍛造的方式，減少了幾個這樣的交叉焊縫，提高可靠性。另外，把一些鋁制的部件，換成鋼的，提高了強度。2011年11月，神舟八號飛船與天宮交會時，六院科研工作者發現在真空中發動機外面有一層紅色的光圈，說明真空中發動機的熱量很高，通過增加熱防護，順利實施了對部件的保護。

在飛向太空的征程中，航天員的生命安全無疑永遠是第一位的。從火箭點火開始，最大的震動源來自于主發動機。航天員會感受到震動，如果震動加劇，對航天員產生的影響很大。這促使六院科研工作者力求讓發動機的燃燒更加平穩。于是在燃燒裝置生產試驗過程中，他們對部件進行優選，比神舟八號的要求更嚴。優選后，燃燒裝置的淘汰率達到50%，可以說是在合格產品中優中選優，被淘汰的部件其實在一般的火箭發射中是完全可以用的。

在這次載人交會對接任務中，最惹眼的，莫過于3名航天員在神舟九號飛船和天宮一號艙內來回進出和多次交會對接了。而事實上，確保交會對接的精準可靠是最難的。對接靠的是動力，要求精準度，不能有偏差。而這次交會對接，與2011年的無人交會對接不一樣的是，就是增加了手控功能。

其實，從神舟八號與天宮的對接來看，對接是非常平穩的，是不需要進行人工干預的，因為系統能夠達到對接的要求。但是，為了今后建設空間站的需要，這一次神舟九號特別安排了航天員進行手動操作，增加航天員自我決策的環節。而在這些環節中，飛船上的發動機不但沒有停止工作，反而顯得更加忙碌起來了。特別是在幾次大的變軌后，就要進入小調整階段，比如400米和140米停泊點，這時需要飛船上的小發動機工作，進行姿態調整，比如減速、平移、俯仰等等，確保神舟九號與天宮一號實現精準對接，完美交會。

安全返回，一路保駕護航

長征火箭二級發動機搖擺試車

長征火箭一級和助推器發動機

天宮一號熱控系統外回路泵熱真空試驗

長征二號F火箭二級發動機氣密檢查（張志敏攝）

航天科技六院不僅研制生產了火箭的動力系統，神舟飛船與天宮一號飛行器的動力系統也是由六院設計生產的。無論是飛船的姿態調整，還是飛船與目標飛行器的交會，特別是飛船返回艙的安全返回，都需要發動機的幫助。

神舟九號飛船的推進分系統，由返回艙推進子系統和推進艙推進子系統組成。神舟九號與天宮一號一次次精準的定位、靠攏、調節均要靠控制飛船上大小不一的姿控發動機來完成。

神舟九號飛船的發動機大小不一，其作用也各不相同，大的發動機能產生2500牛頓的動力，而最小的發動機卻只產生25牛頓的動力。正是這些推力不盡相同的發動機組成的合力，才能幫助神舟九號飛船完成交會。

神舟九號飛船推進系統共配置48臺推力從25牛頓~2500牛頓的5個品種姿態控制發動機，提供推進艙、返回艙俯仰、偏航和滾動所需的動力，也可以說，在航天員操作交會對接全過程之前，這些小發動機起到了關鍵作用。為了保證安全，神舟九號飛船的發動機都有備份，對于航天員來說，他們都要學會故障排除模式，也即當一個發動機出現問題時，航天員要通過指令，讓備份發動機開始工作。

在這次載人交會對接任務中，人們最牽掛的，莫過于3名航天員完成對接任務后，能否安全返回？

而在航天員安全返回的漫漫征程中，航天六院研制的飛船推進系統發動機，同樣發揮了關鍵作用。

神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器分離后，神舟九號推進艙發動機按照預定程序開始工作。待軌道艙與推進艙分離后，由推進艙上的發動機制動點火，進入返回軌道，實施姿態調整。推進艙與返回艙分離后，搭載3名航天員的返回艙開始進入到自由滑行階段。

返回艙在滑行到離地面140千米，在進入大氣層之前，返回艙發動機開始啟動，將返回艙調整到再入大氣層的攻角，保持一定的姿態，使返回艙始終處于穩定狀態，這是保障航天員安全返回地面的關鍵環節。通過發動機一系列精準可靠的工作，返回艙始終保持穩定的姿態進入到大氣層，一直工作到降落傘安全順利打開，航天六院研制的飛船推進系統使命才算真正完成。從這個意義來說，航天六院研制的飛船系統發動機是航天員安全返回的根本保障。

六院研制的神舟飛船推進分系統推進艙的承力截錐模塊結構，出廠前進行氣密測試試驗

載人航天飛船推進艙系統電聯試

未來天路， 更加順暢美好

盡管火箭名稱不同，但它們的動力系統卻有著良好的繼承性，就像優秀的基因一般，被“遺傳”下來。目前我國的火箭發動機水平，與歐洲、美國和俄羅斯相比，總體來看，仍然存在一定的差距。就常規動力來講，經過這些年來的不斷改進，我們發動機的穩定性與可靠性非常好，能夠完成現今的發射要求與任務。

然而，目前總推力600噸的現役火箭，遠不能滿足未來我國載人登月、深空探測的需求。僅以此次神舟九號飛船來說，目前的長征二號F火箭只能發射9噸左右的有效載荷，而分配到航天員工作的軌道艙、返回地球的返回艙，其空間大小可想知。

值得欣慰的是，目前航天科技六院研制的120噸級液氧煤油發動機已通過國家驗收，推力比我國現有長征系列運載火箭發動機提高60%以上，使我國成為繼俄羅斯后第二個掌握液氧煤油高壓補燃發動機技術的國家，其運載能力還有進一步提升的潛力，使我國的航天運載技術邁上了一個嶄新的臺階。

使用新的發動機技術，就能使我國的火箭動力系統處于世界先進水平。更重要的是，新一代發動機將從一次使用變身為可重復使用，而且使用的是無毒環保的能源，其應用的領域會更加寬廣。現階段我們使用的發動機單臺推力是75噸，火箭的運載能力是9噸左右。而新一代大推力發動機單臺推力達到了120噸，比如長征五號火箭，就將使用這種新型發動機，能夠將火箭運載能力提升到20噸。屆時，中國航天員的飛天之路將會變的更加順暢，在太空工作和生活的空間也會變得更加舒適和美好。

火箭發動機試車指揮間

當今世界，航天活動蓬勃發展，載人登月、登陸火星和深空探測已成為各航天大國活動的熱點，大推力火箭發動機是進入空間、利用空間能力的重要標志。高性能、高可靠、低成本、無毒環保、操控性好仍是大推力火箭發動機發展的重要方向。不僅如此，在未來的歲月里，發展可重復使用運載器，實現“快速、廉價、可靠”進出空間是航天運輸系統持續追求的目標。

可重復使用運載器，第一步，是可重復使用運載火箭。航天飛機等已實現了部分重復使用，多次使用火箭發動機技術是可重復使用運載火箭的關鍵技術之一。第二步，融合航空、航天技術的水平起降空天飛行器，是實現航天運輸系統完全可重復使用的終極目標，吸氣式組合循環動力技術是空天飛行器的關鍵技術。吸氣式組合循環動力有機融合了火箭發動機、沖壓發動機等動力方式，通過工作模式轉換為飛行器起飛、穿越大氣層、入軌、軌道機動、軌道再入、降落等不同飛行階段提供動力，實現飛行器完全可重復使用。

譚永華表示，今后十年，是中國運載火箭和火箭發動機技術發展的關鍵時期，中國液體動力技術將緊密結合我國航天事業發展需求，增強現役火箭可靠性和適應性，完成新一代運載火箭發動機研制工作，全力開展更大推力液體火箭發動機研究，實現我國液體動力技術跨越式發展，為中國航天持續發展提供強力保障。

新一代運載火箭發動機試車