中國航天新動力——新一代大推力液氧煤油火箭發動機研制幕后的故事

□ 李云霞 張美書

新一代運載火箭發動機試車

2012年7月29日，中央電視臺一場主題為《聚焦大火箭“心臟”》的電視實況直播，在國內外引起了巨大反響。隨后，新華社、人民日報、解放軍報、光明日報、科技日報、中國青年報、中央人民廣播電臺、新浪網、搜狐網等上百家媒體競相予以報道。一時間，我國新一代大推力120噸液氧煤油火箭發動機研制成功的消息，伴隨著電視、報紙、廣播、網絡迅速傳遍了地球每個角落。

關心中國航天的人們從中得知了一個重磅新聞：有“中國航天動力之鄉”之譽的中國航天科技集團第六研究院（以下簡稱六院），歷經艱辛探索，終于研制成功了新一代大推力液氧煤油火箭發動機，標志著中國成為了世界上第二個掌握了液氧煤油發動機核心技術的國家，中國航天將擁有自己的嶄新動力。伴隨著新一代大推力火箭發動機的研制成功，我國新一代大推力運載火箭長征五號、長征六號和長征七號的首飛指日可待，中國載人登月、建立空間站和深空探測等一系列和平開發和利用空間的航天活動，將在不久的將來變成現實。

據我國著名火箭發動機專家、六院院長譚永華介紹，這種發動機與現役的長征系列發動機相比，具有以下諸多優點：一是推力大，運載能力強；二是沒有污染，液氧和煤油都是環保燃料，而且易于存貯和運輸；三是經濟，比常規發動機推進劑便宜很多；四是可靠性高；五是可重復使用。

此刻，在這條新聞的發源地——位于西安南郊的六院，一萬多名干部職工內心充滿了自豪，充盈著幸福，研制歷程中的酸甜苦辣和艱辛不易，此刻都化作成功的喜悅掛在每個人的臉龐。

未雨綢繆的大膽設想

1985年夏秋間，難得的艷陽天，中國宇航學會代表大會在北京召開，國務院第一招待所會議室里，航天專家匯聚一堂，耄耋新秀暢所欲言，共謀航天大計。會上，航天元老任新民、梁守槃院士等分別作了大會報告。輪到時任067基地（六院前身）主任的張貴田發言時，他的話猶如一石擊水，激起層層漣漪：“長征系列運載火箭是我們的優勢，但與世界先進國家相比，也只相當于人家70年代的水平。單就火箭動力系統看，我們的發動機推力小、循環方式落后、性能低，采用有毒有污染的推進劑,這與發達國家有很大差距。中國航天要想在未來世界占有一席之地，現役火箭發動機明顯已經力不從心，要盡快研制新一代火箭發動機，而且要高起點、高標準，向國際一流水平看齊。”

發展航天，動力先行。每一種新型火箭投入使用時，發動機的研制往往要提前20年進行。對未來大型運載火箭和天地往返運輸系統的研究，世界各國都在尋求一種高性能、廉價、無毒、無污染和有利于維護使用的航天發動機。這次發言，并不只是紙上談兵，或空喊口號。一年前，六院發動機設計所就對液氧烴類發動機的問題進行了探索研究。張貴田代表全院職工發出的聲音，是站在中國運載技術未來大發展的高度所進行的先行一步。

這一建議得到很多專家的支持。航天專家王永志在各種重要會議上大力呼吁。還有時任航天部副部長的劉紀原，深深理解六院人的一番苦心。不久，“863”的春風吹來。國家“863”委員會明確提出航天動力系統推進劑選用問題。隨后，六院與“863”專家組簽訂了研究液氧/烴推進劑發動機作為未來大型運載火箭和天地往返運輸系統動力裝置的概念研究和可行性論證的合同。從此，六院探索未來大運載發動機的研究工作步入了有組織、有計劃的正軌，同時也拉開了我國航天火箭發動機技術向世界前沿水平挺進的序幕。

用液氧/烴類作為推進劑只是一個宏觀的概念，要知道在液氧/烴家族中門類很多，常用的有丙烷、甲烷、煤油等，到底選擇哪一種呢？

六院科研人員除了進行理論分析研究外，對這些推進劑進行了多次試驗，進行了許多實質性的工作，得到了大量試驗數據，研究了液氧/烴發動機研制的關鍵技術：傳熱與冷卻、結焦、積炭、點火、燃燒穩定性、性能、使用維護性和與材料相容性等。這些實質性的研究工作在當時航天大國中也只有極少數的國家能夠做到。電傳熱試驗采用了不銹鋼試件和無氧鋯銅試件，試驗壓力很高，這么高壓下的電傳熱試驗在世界上也是不多見的。從1986年9月到1988年10月，六院共進行了10次液氧/烴燃料的點火燃燒試驗。經過反復分析研究和比校，液氧/煤油這一新型推進劑越來越清晰地進入到人們的視線。

頂著冰雪轉運推進劑

充滿艱辛的預先研究

然而，液氧煤油發動機的預先研究工作，每走一步都充滿了艱辛。當六院經多方論證，將液氧煤油發動機作為未來方向時，國內外并不看好。當時不少專家都感到，我國要研制出這樣的發動機很難，不管在設計上，還是在材料、工藝上都很難突破這些技術。國外的權威專家也認為，即使中國能把液氧/煤油高壓補燃發動機設計出來，也無法制造出來。因為誰都知道，液氧煤油發動機可謂世界航天動力領域的珠穆朗瑪峰。當時只有蘇聯掌握其制造技術，連美國試了再試都作罷了。

面對種種質疑之聲，六院人沒有退縮，而是知難而進，并且要搞頂尖的發動機——高壓補燃循環液氧煤油發動機。這樣就可以一步把我國火箭發動機研制落后世界水平幾十年的差距趕過來。

高壓補燃發動機，特別是液氧/煤油高壓補燃發動機有大量難題等待技術人員攻克。設計參數上，發動機系統中最高壓力、渦輪功率、燃氣發生器的壓力、流量、燃燒室壓力是現役長征發動機的好幾倍。渦輪的驅動工質是高溫富氧燃氣，推進劑又是非自燃推進劑，必須采用點火系統，發動機又要進行大范圍的推力調節和混合比調節，加上該發動機在推力噸位、性能及可靠性方面比現有發動機有大幅度的提高，這樣大大地增加了發動機的研制難度。必須在結構設計、材料、工藝、試驗諸方面采用一系列的先進技術，并突破相應的關鍵技術。

1999年1月在液氧煤油半系統試車現場

六院研制人員通過對我國基礎工業技術水平和我國已有火箭發動機的研制基礎分析，采取逐個殲滅的辦法，對設計關鍵技術、材料關鍵技術、工藝關鍵技術和試驗關鍵技術等一一進行了細化分解。在國家有關部門的支持下，六院研制人員首先對火箭煤油、富氧燃氣發生器技術、主渦輪泵技術、聯試用五種主要閥門技術、總裝密封技術等關鍵技術開展了預研攻關。在攻關過程中，盡可能通過零、部、組件的模擬、縮尺、水力、吹風、介質試驗選擇合理的方案和參數。關鍵技術先在零組件狀態得以解決，為后面的部件和發動機順利開展奠定了堅實的基礎，也節省了研制經費和周期。

液氧煤油發動機不僅采用的推進劑、循環方式與過去常規發動機不同，而且在推力噸位、性能、可靠性方面比現有發動機有大幅度提高，這就意味著發動機及各部件在比現有發動機更惡劣的條件下工作。這不僅加大了發動機的設計難度，而且對加工設備、試驗系統以及材料、工藝等提出了更高的要求。

液氧煤油發動機采用的新材料有50余種，這些新材料各自具有獨特的性質和應用性，我國原來基本都沒有研制和應用過。火箭煤油就是其一。通過幾年的研制，他們采用各種工藝方法，克服大量困難，對試制出的產品進行電傳熱對比試驗驗證，通過對產品實物的反復試驗驗證，終于研制出了適合高壓推力室冷卻劑用的火箭煤油。

為配合新材料研制，六院與相關研制單位一起共同制訂了50余項材料暫行技術條件或暫行技術協議，共同對液氧煤油發動機研制所需要的新材料進行聯合攻關。在全國各協作單位的配合下，一個個新材料的關鍵技術被突破，一個個新材料按時供應，滿足了研制需求。

發動機試車前的嚴格檢查

深山中的轟鳴

由于材料新、技術新，工藝制造遇到前所未有的困難。從1995年開始，六院發動機生產廠針對液氧煤油發動機進行工藝預研和工藝攻關課題達130余項。

“在新一代運載火箭液氧煤油發動機整機研制初期，失敗與挫折是家常便飯。”中國工程院院士、六院科技委主任張貴田如是說。

1999年，為進一步驗證各組合件的可靠性和準確性，在把工況提高到100噸的狀態下，六院于7月份組織了組合件聯動試驗。意外發生了。那次試驗發生了燃燒現象，科研人員的心中像壓了塊巨石。

晚上專家們吃飯時，航天老專家錢維松勸張貴田院士：“試驗有成有敗，不要太難過。”話音剛落，張貴田竟像孩子似的忍不住流下了眼淚。

失敗，對于張貴田的發動機研制生涯來說，實在是像吃飯睡覺一樣太平常了，而他從不輕易落淚，只是這次引發了他積壓了太久的精神重壓，淚腺便幫他開閘泄洪。六院科研人員從院士的眼淚中讀懂了新一代火箭發動機研制的艱辛，更堅定了他們攻堅克難的信心。

設計人員商討技術方案

液氧煤油發動機長程試車成功

核心技術的突破之路

飛機起飛和降落是最難控制的時段，也是出事最多的時段。液體火箭發動機也一樣，起動和關機是最復雜最難設計的動態過程，尤其是起動過程，在零點幾秒內，發動機的轉動件要從不轉動加速到每秒幾萬轉的高轉速，燃燒組件要從環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。任何一個環節設計不好，都可能導致發動機故障甚至爆炸。

液氧煤油發動機剛開始進行的幾次整機試車都失敗了。外界對六院人的猜疑聲越來越大：靠自己的力量到底能不能成功解決補燃問題，能不能實現點火起動？

設計人員的壓力一次比一次大。而每到試車前夕，都是設計人員壓力最大的時候。大家晚上怎么也睡不著覺。一睡著，就夢到試車失敗的沖天火光和滾滾濃煙。試車時控制間里坐滿了人，但是緊張壓抑的氣氛，使大家只能聽到自己快速的心跳聲。

為了找到問題的根源，六院科研人員沒有休息日，大家放棄天倫之樂，一心撲在工作上，千方百計收集資料，絞盡腦汁尋找故障的癥結，利用仿真技術模擬起動失敗和爆炸的過程……經過近半年緊張的艱苦攻關，設計人員終于摸清了試車失敗的根源和機理并提出幾種新的方案。對各種方案和程序的組合進行仿真優化，最終選定了最理想的起動方案和起動程序。

嚴慎細實對發動機每一根管道進行篩選

首次大推力發動機試車成功的喜悅

“六院人的性格如同他們所研制的發動機，意志堅如鋼，心中一團火，傾力鑄神箭，勇為先行官，樸實又沉穩，甘當鋪路石。”六院黨委書記黃亮表示，在新一代火箭發動機研制過程中，六院人所表現出的敢打敢拼、不屈不撓和先行一步、領先一路的品格，正是發動機人格化的體現。

憑著鍥而不舍、百折不撓的精神，六院研制人員闖過了一道道技術難關，使發動機連闖渦輪泵聯動試驗、半系統試驗、整機試驗三大難關，成功實現整機600秒長程試驗。

由于液氧煤油發動機為高壓補燃循環系統，渦輪泵轉速高、壓力高、功率大，巨大的振動引起產品結構破壞，不能進行長時間與高工況的試車。“減震”便成為整機研制過程中又一個大問題。

六院科研人員開展了渦輪泵減振攻關，分析了參與試車的渦輪泵所有數據，特別是高速轉子的軸向和徑向位移、振動、壓力脈動數據。弄清楚了高速轉子的動特性、振型和引起振動的主要因素，并加班加點設計生產了高速轉子動力學實驗裝置。

高速轉子動力學實驗在該研究院還是首次進行，無任何經驗借鑒，技術人員邊設計邊生產，將近200千克重的實驗裝置運到一月份最冷的哈爾濱，并自己帶上一百多千克重的實驗用所有裝配、實驗工裝設備。

發動機試車前的準備工作

由于要求要在很短的時間內對改進措施進行驗證，在哈爾濱實驗期間，科研人員不顧零下20℃的嚴寒，早上8點就到實驗室裝配實驗，中午和晚上就在實驗室吃盒飯，每天工作到晚上10點，在兩個星期內進行了23種狀態的渦輪泵轉子動力學實驗，找到了影響渦輪泵轉子動特性的主要因素。隨后根據實驗結果確定了對渦輪泵進行改進的措施，并在后續的發動機試車中逐步實施。改進后的渦輪泵振動減小，一次裝配能連續進行五次試車，一次試車時間能達到發動機額定工作時間的三倍，終于滿足了發動機的要求。

推力室是整機中最大、也是結構最為復雜的一個組合件，它是整機研制的關鍵。由于推力室制造工藝難度較大，為解決這些技術難題，六院組成了工藝、設計、試驗以及技術管理人員聯合組成的推力室攻關小組。

攻關小組針對渦輪泵聯試中暴露出的問題，進行了新一回合的渦輪泵、閥門等組合件設計工藝改進研究工作。對噴嘴加工、厚壁變截面管成形、內壁螺旋銑槽、頭部釬焊、收擴段脹型等關鍵工藝技術進行攻關。在研制人員的不懈努力下，經過多種方案和多個回合的研制攻關，終于完成了推力室生產。

在國外航天專家眼里，建設一座數百噸推力規模的發動機試車臺，從主體奠基到正式試驗投產，至少要用三年時間，而六院人僅用了一年半。經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計、技術、設備等指標均達到了國內外先進水平。

新一代大推力試車臺一角

火箭發動機試車指揮間

2006年7月3日下午，秦嶺深處，漫山碧透，試車臺畔，溪水潺潺。隨著震耳欲聾的巨響，試車開始。只見導流槽流水嘩嘩，富氧燃氣彌漫山谷。

100秒……200秒……400秒……600秒！“成功啦！”液氧煤油發動機首次長程試車成功啦！笑意寫在臉上，喜悅掛在眉梢。掌聲、歡呼聲響成一片。

每一次試車成功，對于發動機研制工作來說，都是一次飛躍，試車工況越來越高，試車時間越來越長，試車周期越來越短，離研制的目標也越來越近。

2007年，發動機首次突破萬秒試車大關！

2008年，首次飛行狀態試車圓滿成功！

2009年，液氧煤油發動機第100次試車圓滿成功！

2010年，雙機并聯試車實現三戰三捷！

2012年， 120噸級液氧煤油發動機專項研制正式通過國防科工局現場驗收。

中國動力的嶄新高度

“自2000年國家正式立項進入工程研制的12年間，液氧煤油發動機已先后進行了百余次試車。”譚永華院長說，“這當中，既有飽嘗失敗的痛苦，但更多的是失敗之后，六院人自主創新的步履更加堅實，攻堅克難的步伐更加加快。”

六院人在收獲新一代大推力火箭發動機研制成功喜悅的同時，更成就了中國航天的新高度。12年來，六院科研人員迎難而上，從對高壓補燃循環發動機的一知半解，到突破80余項關鍵和核心技術，先后研制出三種基本型發動機，以及5種適應不同火箭總體的飛行狀態發動機。目前，所有飛行狀態發動機均已完成考核任務，開始交付火箭總體進行相關試驗。屆時，中國人的飛天之路將會變得更加順暢，中國航天員將會越飛越高，在太空工作和生活的空間也會變得更加舒適和美好。

譚永華院長說，新一代大推力火箭發動機的研制，直接帶動了相關產業的發展。發動機技術的一項項突破，不僅直接引領了航天事業的發展，還為國民經濟和普通百姓日常生活水平的提高注入了新的科技力量。

屹立在青山翠谷中的試車臺

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新一代運載火箭的構型

新一代運載火箭是：“一個重點、兩種動力系統、三個模塊”，即以發展5米箭體直徑的大型運載火箭基本型為重點，采用50噸級推力氫氧發動機和120噸級推力高壓補燃液氧煤油發動機兩種新型動力運輸系統，以5米、3.35米和2.25米三種直徑火箭為三個基本模塊，通過模塊化的不同組合，形成不同數量的新一代運載火箭系列，滿足各種發射任務的需求。

新一代液氧煤油發動機的地面推力120噸級，是3.35米和2.25米模塊的主動力系統。長征五號火箭的3.35米和2.25米直徑助推器、長征六號火箭的3.35米第一級、長征七號火箭的3.35米芯級和2.25米助推器，都將使用YF-100發動機，其中除了長征六號比較特殊，3.35米直徑但仍使用一臺YF-100外，其他類型均為3.35米模塊配兩臺YF-100，2.25米模塊配1臺YF-100發動機。這意味著，YF-100發動機如果沒能按時保質研制成功，新一代運載火箭就徹底成了水中月鏡中花了。

轉自中國航天科技集團公司網站

新一代氫氧發動機研制取得新進展

2012年8月17日，隨著六院101所試驗區傳來震撼人心的轟鳴聲，六院北京11所設計的大推力氫氧發動機500秒長程熱試車取得圓滿成功。

大推力氫氧發動機具有“高能、零污染”的優點，集超低溫、超高溫、高壓、高轉速、高功率密度于一體，代表著運載火箭先進動力發展方向。新一代大運載長征五號火箭芯一級采用大推力氫氧發動機作為主動力裝置，發動機于2002年立項研制，歷經十年艱苦攻關，目前，發動機關鍵技術全部突破，累計試車22000秒。此次試車成功標志著2014年CZ-5火箭首飛發動技術狀態已經確定，為后續投產交付奠定了堅實基礎。