「胖五」的「心臟」真的有問題嗎？

最新 07-08

運載火箭是十分複雜的系統工程，科研人員在其研製和發射階段可謂「如臨深淵，如履薄冰」，可縱然如此，仍難以完美解決所有的細小問題。自人類向太空邁進以來，各國火箭發射特別是重型運載火箭發射失誤的案例屢見不鮮。

7月2日，備受關注的「胖五」發射失利。對此，習慣了我國航天發射高成功率的網友們表現出了足夠的理解和寬容，熱心的小夥伴們還對失利原因做了分析，不少人都把鍋甩給了「胖五」的「心臟」（即發動機）。

「胖五」發射升空（圖片來源：Reuters）

作為長征火箭家族裡最威武的套馬漢子，「胖五」的「心臟」真的有問題嗎？當然，這只是目前的一種猜測，並無十足的證據。不過，由於火箭的「心臟」通常在航天發展中佔有舉足輕重的作用，在官方正式公布調查結果之前，我們還是不妨先來了解下自家的「胖五」及別人家「孩子」的身體狀況。

回望——我們的「心臟」技術啥水平？

我們知道，飛機往往只在大氣層內玩耍，而火箭的活動範圍則跨越了大氣層內外，因此，飛機只需帶上燃料便可來一場說走就走的旅行，火箭則還要攜帶氧化劑。根據推進劑（包括燃料和氧化劑）的不同，常見的火箭發動機一般可分為固體火箭發動機和液體火箭發動機。和固體發動機相比，液體發動機結構非常複雜，發射前的準備工作也異常繁瑣，但由於其具有工作時間長、比沖大、推力易於控制、可重複啟動等優點，因而被世界各國運載火箭廣泛採用，我國自然也不例外。

液體火箭發動機燃燒過程示意圖（圖片來源：中國航天報）

我國從1956年開始研製現代火箭，其中運載火箭肇自上世紀60年代研製的「長征一號」。當時，為了節省研究經費、縮短研製周期，以使「東方紅一號」衛星儘快暢遊太空，人們決定採用「東風四號」導彈的一、二級與控制系統作為藍本，增加固體第三級，對「長一」進行研製。「長一」的第一級安裝了4台YF-1液體發動機，以偏二甲肼作燃料、硝酸作氧化劑，每台地面推力為255千牛；第二級的YF-3液體發動機由YF-1改進而來，採用相同的推進劑，地面推力達290千牛。1970年4月24日，「長一」護送「東方紅一號」衛星進入預定軌道，從此奠定了我國運載火箭的基礎。世人往往只看到「長一」光鮮成功的一面，殊不知一窮二白的初學者總是要交學費的，在研製「東風四號」的六年半間，四次發射有一半都是失敗的。

「長征一號」奠定了我國運載火箭的基礎（圖片來源：騰訊網）

此後，我國又基於「長一」成功研製了「長二」。它共有兩級，均用偏二甲肼作燃料、四氧化二氮作氧化劑，一級安裝了4台YF-20發動機，總推力為2940千牛，二級則採用推力分別為735千牛和46千牛的大、小發動機各一台。在此基礎上，我國又成功研製出捆綁火箭「長二捆」、「長二F」和「長二F改」，後二位可稱得上是明星級勞模，從「神舟一號」到「神舟十一號」飛船，全是它們不辭勞苦送上天的。後來研製的三級火箭「長三」、「長四」都與「長二」一脈相承，由於發動機技術較為成熟，它們的發射成功率一直在世界上名列前茅。

長二F（網路圖）

一個甲子，長征火箭家族實現了從串聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發射衛星到發射載人飛船的巨大發展，雖說與美、俄等航天強國仍有較大差距，但作為後發國家，我們仍然用遠低於美國的成本，成功建立了較完備的運載火箭系統。這期間，火箭發動機技術雖有改進，但一直沿用相似的技術，細心的小夥伴一定注意到，從「長一」到「長四」，使用的燃料均為偏二甲肼，而氧化劑有硝酸、四氧化二氮。這些物質被稱為常規推進劑，具有能夠自燃等優點，可以方便地長期保存在地面和天上。

不過，既然說其「常規」，就一定有不令人滿意之處。常規推進劑具有很強的腐蝕性，一旦火箭錯過發射窗口，就不得不更換箭體。此外，常規推進劑還伴有毒性，1990年，在一次搶修「長二捆」的過程中，就曾發生過四氧化二氮泄漏導致十餘名科研人員中毒傷亡的慘痛案例。當然，除了腐蝕性與毒性，常規推進劑最致命的弱點便是比沖小，運載能力低，難以幫助我們從近地邁向深空。

由於常規推進劑具有毒性，工作人員在檢查火箭加註設備時必須全副武裝（圖片來源：新華網）

時代在召喚新一代高性能火箭，於是我們的「胖五」帶著它的「大心臟」登場了。

知己——「胖五」的「心臟」是啥樣？

「長征五號」的綽號有很多，除了「胖五」，它還被稱作「冰箭」。「胖」展現了它的體形，而「冰」則是指它的「心臟」了。

「胖五」採用的是低溫發動機，即一種使用低溫推進劑的液體火箭發動機。所謂低溫，指的是在大氣壓下，由於推進劑的沸點低於環境溫度，推進劑必須在環境溫度以下才可保持液體狀態。液氧由於價格低、來源廣，是世界上應用最廣泛的液體火箭發動機氧化劑，「胖五」的芯級和助推器中用的都是它（溫度達零下183℃）。不過在燃料方面，「胖五」的芯級用的是液氫（溫度達零下252℃），助推器用的則是煤油。總體上看，低溫推進劑不但無毒、無污染，而且比沖也得到了很大提高。

燃燒劑和氧化劑比衝量表（圖片來源：中國航天科技集團公司官網）

從上圖可以看出，氫氧的組合是性能最高的化學推進劑，並且由於其燃燒穩定性好，因此是液體火箭的最佳選擇之一。不過，因為氫的密度很低，貯箱必須做得較大，「長五」也就成了「胖五」了。一般而言，氫氧發動機適合用在火箭的二級與上面級，而我們的「胖五」不僅芯二級採用了兩台YF-75D氫氧發動機，芯一級也安裝了兩台YF-77氫氧發動機。YF-75D發動機由「長三」的YF-75發動機改進而來，地面推力約90千牛，YF-77則是我國第一台地面點火啟動的大推力氫氧發動機，地面推力約500千牛，在發動機的設計、生產和試驗技術領域都做了大量創新。

YF-77發動機（圖片來源見水印）

可是，大塊頭的「胖五」起飛重量足足接近900噸，單純靠芯級的發動機起飛未免有些強人所難。實際上，「胖五」起飛的主要動力並不來自於芯一級，而是來自於助推器。「胖五」的芯一級周圍捆綁了四個助推器，每個助推器都裝有兩台YF-100液氧煤油發動機，每台發動機的地面推力達1200千牛，推力比長征火箭家族以前所用的發動機提高了60%以上，這無疑是個巨大的跨越。

YF-100發動機（圖片來源：新浪網）

然而，性能上的大幅提高，往往表明發動機需要在更加惡劣的條件下工作。比如，在發動機剛啟動後，不到一秒之內，渦輪泵便需從靜止加速到數萬轉每秒，溫度頃刻間從室溫上升到幾千度，這都對發動機的設計、材料、工藝等環節提出了嚴苛的要求。實際上，「胖五」的發動機在研發階段就出現過多次整機試車失敗的情況，與其他國家的同類型火箭相比，它去年首秀便獲得成功，已經殊為不易。

知彼——別人家的「孩子」怎麼樣？

縱向來看，「胖五」的橫空出世，對於我國航天事業發展無疑是個巨大的進步。如果橫向看，它與傳說中的別人家的「孩子」相比，又是什麼水平呢？

美、俄等國很早就開展了液體火箭發動機的研究。早在上世紀20年代，美國科學家戈達德（Robert Goddard）便製造出了世界第一台液體火箭發動機，他當時採用的是汽油和液氧作推進劑。二戰後，美、蘇兩國相互競爭，研製出多種型號的常規推進劑火箭。自上世紀70年代後，兩國便相繼推出了高性能、大推力的液體火箭發動機，蘇聯以液氧煤油發動機為主，美國則是液氧液氫發動機。

我們不妨看看與「胖五」同屬於重型火箭的「德爾塔四號」。和「胖五」在我國運載火箭中的地位一樣，「德爾塔四號」重型火箭也是美國現役火箭中最強壯的，起飛重量達733噸。它還有個特殊的身份：世界上唯一的全氫氧發動機火箭，也就是說它的芯一級、芯二級及助推器全部採用氫氧推進劑。其芯一級僅安裝一台RS-68A發動機，但推力卻可以達到3140千牛，遠超「胖五」所用的發動機。芯一級周圍捆綁的兩個助推器，也分別安裝了一台RS-68A發動機，芯二級則裝有一台推力為110千牛的RL10-B-2發動機。

美國的「德爾塔四號」火箭（圖片來源：wikipedia）

不難看出，即使是我們最先進的「胖五」，在發動機技術水平上，也與美、俄等國存在不小差距。為了彌補單台發動機推力不足的問題，我們不得不在芯一級和助推器並聯10台發動機，如此一來，任何一個小細節考慮不周，都可能帶來失敗。可必須指出，我們在技術積累薄弱、研製時間短、研製成本非常低的情況下，仍然採用數十種新材料、一百多種新工藝，解決了「胖五」發動機中的冷卻、高速旋轉機械動力學、不穩定燃燒等諸多難題，大幅提高了我國運載火箭的實力，成功走出了一條符合國情的航天發展之路。

隨著我國航天技術的升級，面臨的技術難度也越來越大，偶有失利是十分正常的現象，我們在上世紀也是經歷了多次失敗，才有了享譽世界的長征系列火箭。「成功是差一點點的失敗，失敗是差一點點的成功」，我們有理由相信，吃苦耐勞的航天人必將會查出「胖五」失利的癥結，解決每一個問題。我們的征途，依舊是星辰大海。