中国火箭发动机补课20年啥水平？刚入门

一箭穿云惊浩宇，九天揽月灿星河

——长征系列液体运载火箭之小结

关于中国新型液体火箭的意义

在长征系列新型运载火箭即将首飞的时刻，国内部分媒体报道，将长5/6/7新型系列液体火箭和发动机，特别是长征5号称为“世界先进水平”、“世界一流水平”，兵器迷并不这样乐观。

从前面四篇的描述可以看出，在1990年后，中国有限的航天资金，主要集中在载人航天（神州和天宫系列）上。因此液体火箭长发动机时间以四氧化二氮/偏二甲肼燃料为主力，发动机最大地面推力在70吨左右徘徊，几乎20年没有出过新型火箭正式型号。因此不要说是比美俄两国，就是比日、欧的100吨级产品，也已经有很大差距。印度在这20年里，也追得很快，某些方面并不弱于我们。

纵向比较，即以我们自身讲，神州5/6/7三个液发新箭和YF-77/YF-100两个新发，的确是具有突破意义的进步。氢氧发动机真空推力从8吨到70吨，煤油机增推60%，上了100吨大关。对于后续中国航天的载人空间站、重型通信卫星和探月计划的支撑将会非常给力，这些当然都值得充分肯定。

但横向比较，就是今年新箭都首发成功，真空推力130吨的煤油机YF-100与近半个世纪前美国690吨的F1、近30年前苏联800吨RD170如何相提并论；真空推力70吨的氢氧机YF-77又如何与14年前美方真空推力344吨的RS-68比肩？

不乐观，不悲观，要客观。

兵器迷的判断是这样：我们肯定自身的进步。同时必须清醒的认识到，这样的进步，也仅仅是让我们在20多年后重返运载火箭第二集团而已，补课的意味非常浓厚。

私下说：我们再不补这个课，就快要不入流了（2020年的三大任务都完不成），哪里谈得到什么“世界一流”？

关于氢氧机和煤油机的技术路线之争

有些媒体报道YF-100时，宣传中国是俄罗斯之后第二个掌握高压补燃循环发动机的国家，连美国都望尘莫及。其实，高压补燃循环未必是最高大上的循环方式。兵器迷对这个问题做过相关讨论，现在再往深一层说几句。

液氢/液氧的能量密度高，推力室理论比冲比液氧/煤油高约1/3。所以氢氧机的比冲超过400秒是很轻松的事，而煤油机理论极限才390秒，实际工程上350秒就是天花板了。这就是为什么，追求高比冲的美国从1970年代以后就比较执着的选择氢氧发动机路线。大推力室（含燃烧室）、氢涡轮泵、氧涡轮泵、液氢除杂等核心技术都搞得定，美国先进的石化工业又为廉价液氢燃料铺平了道路。万事俱备之后，美帝愣是把别国通常仅仅用于上面级的氢氧发动机，搞成了RS-68这样的344吨大推力一级，没助推器直接起飞都没得问题。

那为嘛美国还要买俄罗斯的RD180呢？还是有搞不定的嘛，这就是价格。一般来说，氢氧发动机和燃料液氢，比液氧/煤油发动机和燃料煤油还是要贵一些。比如RD180比2000万美元的RS-68改型要便宜一半，所以美帝买毛子的货。再说，液氧煤油的推力虽然更大，但反正阿波罗计划后重型运载火箭需求少了，近地空间站用RD-180正合适。不过，2010年代后，看到中国的载人登月就要长出八字那一撇了，美国人又开始琢磨载人登火（星）。这下，重型推力的液氧/煤油才又有用武之地了。美国人也回头考虑重载煤油机了不是——到哪儿说哪儿，对吧。

而苏联正好反过来，氢氧机搞到200吨左右，就很难上得去了，大单室氢泵氧泵都搞不利索。而自家煤油机的大推力却可以轻松做到700-800吨，至今是全球最速激的一级动力。又是浮在石油上的国家，航天级精炼煤油那是取之不尽，所以才选择液氧煤油路线。同时在技术上用高压补燃来提高比冲，克服液氧/煤油的低比冲和煤油结焦积碳缺陷。

如此，才形成今天美俄各执液氢/液氧和液氧/煤油大推力发动机牛耳的局面。这个局面，是两个国家的不同液体火箭技术路线形成的，而并非美国一定达不到鹅毛这样的水平。反过来说，美国的氢氧机固然霸天，煤油机就真落后吗？人家为土星-5做过的690吨煤油机F1，到今天50年过去了。可放眼全球，除了美俄，谁敢说能做？

关于甲烷机

液氧/甲烷也是液体火箭。不过甲烷机还没有正式型号，本不在本文的讨论范围内。之所以再多谈几句，是因为2013年10月，航天六院的一则新闻说，101所的新一代60吨级火箭液氧甲烷发动机全系统首次点火试车获得成功，引起了部分网友的注意。有人评论说，甲烷机比较鸡肋，鼓舞士气也就罢了，发展型号不堪大用。

这话有道理，就连西安院的专业文献也认为：甲烷密度比冲比液氧/煤油发动机低，使用安全性也不如煤油；性能又比液氧/液氢发动机低。因此，看起来应用前途确实不明朗。

不过，甲烷也有其独特的优势：甲烷的冷却性能良好，再生冷却指数比煤油高75%，是仅次于液氢的再生冷却剂。比起液氢，甲烷可从天然气方便获取，沸点比液氢高90℃，成本比液氢低，相对密度比冲又高了约80%。比起煤油，它的结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗。因此，液氧/甲烷发动机是可重复运载器较为理想的选择。与俄罗斯为单级入轨或重复使用而研制的液氧/煤油/氢三组元发动机RD-701和RD-704有一拼。

有朋友疑惑了：可重复运载器……什么的干活？

您要看这个词儿眼生，看看下面这张图，估计就想起来了，呵呵。

▲图：中国神龙空天机

据报道，中国有“神龙”和“遨天”两个可重复运载器项目。预计至少有一个2020年到达研制节点。这么看，说不定，甲烷机这鸡肋，哪天变鸡腿了，呵呵。

果真如此，中国的甲烷型号机，2020年见！

关于技术之外的因素

有些网友的技术功底很深，在探讨时对新技术推崇备至，兵器迷很佩服。

不过，就具体型号而言，除了技术，也还是要结合其他因素，比如需求、成本。

比如：印度的PSLV火箭，50吨级推力，近地轨道3.25吨。不要说比长5的LEO 25吨，就是比长2F的LEO 9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3年前的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。

再如：美国民营航天公司SpaceX的猎鹰9运载火箭，近地轨道LEO 22.8吨；地球同步转换轨道GTO 8.3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。网载SpaceX公司CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)说造价只有1600万美元（原文如此），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”。

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就不能有增推型？

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——就能发射。

这位方了。那……要什么啊？

一片平地，就行。

意思就是：长11使用轮式转运车进行运输和起竖准备。至于有人说长11是脱胎于DF-31…….兵器迷可真不知道（严肃脸）。

重要的话说三遍：需求、技术、成本，要综合考量。如果仅仅是技术水平高，型号可不一定就能获得市场成功。

关于中国重型运载火箭规划

长征5号的近地轨道运载能力25吨，俄罗斯航天局在研的Angara A7运载火箭近地轨道运载40吨，但这些都算不上是重型运载火箭。

真正的重型运载火箭，是指火箭起飞推力在3000吨左右、近地轨道LEO运载能力在100吨以上的火箭（比如美帝的F1，鹅毛的RD-170）。

根据中国航天科技集团《2011年度社会责任报告》和2013年航天六院谭永华院长的介绍，中国未来的重型运载火箭为长征9号。长征9号的主要用途，将是载（多）人登月等小行星探测、远离地球的深空探测、大型近地轨道空间站（单件50-80吨）建设等用途。

该型火箭的主要发展构型设想为三级半，即：

-芯一级动力：8米直径（含4台500吨级液氧/煤油发动机）

-助推器动力：4*3.35米直径（各含1台500吨级液氧/煤油发动机）

-二级动力：2*200吨液氢/液氧发动机

-三级动力：2*50吨级液氢/液氧发动机（估计为YF-77）

其中的200吨级液氧/煤油发动机和500吨级液氧/煤油发动机，分别参见《第二篇》和《第三篇》中的讨论。

长征9号火箭起飞质量达到3000吨（长征5号基本型不到900吨），近地轨道LOE运载能力超过100吨。媒体报道说“这样的运载能力,在目前各国在研的新型运载火箭中，将仅次于美国的太空发射系统(SLS)重型火箭，其地轨道运载能力为130-150吨”。不过不要忘记，SLS的主要动力：RS25氢氧发动机，在2015年6月25日，已经在密西西比斯坦尼斯航天中心完成了首次的650秒RS-25氢氧发动机的测试。有底气的美国人，因此预计SLS火箭于2018年首发。而中国的长征9号、500吨级煤油机和200吨级氢氧机，还停留在远期规划的纸面上，尚未正式立项。

回首往昔，从仿制东风-1液体导弹开始，在近六十年的岁月里，中国液体火箭发动机和液体运载火箭，如同中国航天事业的一个象征，走过了坎坷艰难的发展历程。进入21世纪之后，中国航天发展速度明显加快。航天年发射次数2004年开始超过欧洲、2011年开始超过美国，在轨航天器超过100，稳居世界第二。2010年后至今，以长征5号、6号、7号新型液体运载火箭，和YF-77液氧/液氢发动机YF-100液氧/煤油发动机为代表，更是迎来了一波较新的重大突破。以一期年产12枚运载火箭的能力的天津生产基地和海南文昌发射基地为代表，运载火箭基础设施的步步夯实，也都历历在目。

展望未来，如果一切顺利，长征9号预计2030年首发——这个时间对于中国目前的技术水平，绝非一个宽松的时间表。而2016年长5和长7的首发成功，对于实现这个计划的实现是一个至关重要的起点。

航空航天强国，那是钱堆的，那是汗浇的，那是命拼的，那是一个真正大国的国家意志。

在中国的航空航天领域，有很多的落后需要去追赶；有太多的未知需要去探索；也必将更多的传奇将会被创造。

来路深深，前路漫漫。无论成败，无惧风雨，中国航天人的飞天梦想，永不褪色。

让我们祝愿，2016年长征系列新型液体运载火箭的首发圆满成功；

让这样的成功，为下一个十年中国的新一代重型卫星、嫦娥三期探月和载人空间站工程，拉开精彩纷呈的序幕；

让这样的成功，让更多这样的成功，为未来中国近地大型空间站建设、载人登月和宇宙深空探测，点亮一个数千年问天民族的伟大光荣，与梦想。

所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：

《中国液体火箭发动机》

《俄罗斯液体火箭发动机》

《液体火箭发动机技术发展》

《重型液体火箭发动机研究》

《液氧/煤油发动机》。

《液氧/甲烷发动机》

本文引用了网上的所有图片，均归原作者所有，一并致谢！