在長(zhǎng)征五號(hào)火箭研制之前，中國(guó)的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭一直是在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，核心部件火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力沒有質(zhì)的提升，增大火箭的推力與射程，只能依靠加裝助推器與火箭的級(jí)數(shù)。老舊的火箭使用有毒的四氧化二氮與偏二甲肼推進(jìn)劑，劇毒且污染環(huán)境。

為全面提高中國(guó)運(yùn)載火箭的整體水平和能力，中國(guó)急需一種大推力、高可靠、低成本、無毒、無污染的運(yùn)載火箭。新火箭還需具備模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同模塊組裝成不同推力的火箭。長(zhǎng)征五號(hào)火箭就是在這種背景下進(jìn)行研制的。

改造老舊型號(hào)火箭 長(zhǎng)征三、四號(hào)推力性能無本質(zhì)提升

自20世紀(jì)70年代以來，中國(guó)一直依靠“長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)、長(zhǎng)征四號(hào)”運(yùn)載火箭及其改進(jìn)型來完成大部分軌道發(fā)射任務(wù)。如果追溯技術(shù)源頭，這三型火箭都源自1971年首飛的東風(fēng)5號(hào)洲際彈道導(dǎo)彈（兩級(jí)液體火箭）。

“長(zhǎng)征三號(hào)”運(yùn)載火箭是以“長(zhǎng)征二號(hào)”運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)進(jìn)行研制的，主要關(guān)鍵技術(shù)在火箭的第三級(jí)（上面級(jí)）。第三級(jí)火箭首次采用低溫液氧/液氫推進(jìn)劑，液氧的沸點(diǎn)溫度在-183℃，液氫沸點(diǎn)溫度更低為-253℃，在這樣低的溫度下，有許多難題需要克服。

該型火箭的第一級(jí)安裝四臺(tái)YF-21發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)是一臺(tái)YF-24發(fā)動(dòng)機(jī)（即：YF-22主發(fā)動(dòng)機(jī)+四燃燒室YF-23游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)），這樣的火箭一、二級(jí)設(shè)計(jì)與長(zhǎng)征二號(hào)類似，變化不大。

長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭第三級(jí)所使用的YF-73氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，由1臺(tái)渦輪泵和4個(gè)獨(dú)立的推力室并聯(lián)組成，4個(gè)推力室同在一個(gè)圓周，呈“十”字形安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上，每個(gè)推力室都可沿圓周切向擺動(dòng)，以控制飛行姿態(tài)，可以兩次點(diǎn)火工作。

“長(zhǎng)征三號(hào)”第三級(jí)YF-73發(fā)動(dòng)機(jī)，由1臺(tái)渦輪泵和4個(gè)獨(dú)立的推力室并聯(lián)，渦輪泵排氣加熱氫氣和氦氣，分別給氫、氧貯箱增壓

YF-73發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖，采用開式循環(huán)，四個(gè)燃燒室推進(jìn)劑由一臺(tái)渦輪泵驅(qū)動(dòng)

“長(zhǎng)征三號(hào)甲”第三級(jí)YF-75氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，通過機(jī)架并聯(lián)兩臺(tái)該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用，發(fā)動(dòng)機(jī)可雙向擺動(dòng)，YF-75是繼YF-23之后的中國(guó)第二代低溫發(fā)動(dòng)機(jī)

作為發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星的備份火箭，上海航天局自1974年起，用了10年的時(shí)間成功研制了“長(zhǎng)征四號(hào)甲”和“長(zhǎng)征四號(hào)乙”運(yùn)載火箭。

與長(zhǎng)征三號(hào)思路相似，長(zhǎng)征四號(hào)火箭也是在“長(zhǎng)征二號(hào)”的基礎(chǔ)上增加一個(gè)第三級(jí)形成的，一級(jí)和二級(jí)繼承了“長(zhǎng)征二號(hào)”和“長(zhǎng)征二號(hào)丙”成熟的技術(shù)，但與長(zhǎng)征三號(hào)不同的是，增加的火箭第三級(jí)使了與一、二級(jí)相同的常溫液體推進(jìn)劑（偏二甲肼/四氧化二氮），動(dòng)力為兩臺(tái)YF-40發(fā)動(dòng)機(jī)，可雙向擺動(dòng)。

YF-40發(fā)動(dòng)機(jī)

攻克大推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難題 研制長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭

“長(zhǎng)征五號(hào)”早于1983年在“863計(jì)劃”支持下開展了前期的論證，但那時(shí)的中國(guó)航天工業(yè)還不具備生產(chǎn)大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，這意味著大推力火箭只能存在于概念中。不過，這種情況在90年代初發(fā)生了改變，當(dāng)時(shí)中國(guó)獲得了俄羅斯RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)成品（可能還有設(shè)計(jì)文件），RD-120就采用了先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)。

高壓補(bǔ)燃循環(huán)，預(yù)燃室中氧氣充足，排氣驅(qū)動(dòng)渦輪泵后，全部注入燃燒室

21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)開始研制兩種大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：基于RD-120技術(shù)的120噸推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100和50噸推力液氧/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)YF-77。

實(shí)際上，YF-100和YF-77在研發(fā)的過程中都遭遇了重大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)展的重大延遲，中國(guó)航天業(yè)花了近20年的時(shí)間才消化完RD-120技術(shù)，并給出自己的設(shè)計(jì)。使中國(guó)成為既俄羅斯之后，成為世界上第二個(gè)掌握高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國(guó)家。

YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，基于俄羅斯RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，采用液氧/煤油推進(jìn)劑，使用高壓補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)，長(zhǎng)征五號(hào)助推器動(dòng)力，半個(gè)世紀(jì)前，美國(guó)土星五號(hào)運(yùn)載火箭采用F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力約690噸，相當(dāng)于5臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)

YF-77火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，采用液氧/液氫推進(jìn)劑，YF-77火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用開式循環(huán)，預(yù)燃室產(chǎn)生的燃?xì)猓謩e驅(qū)動(dòng)燃料泵和渦輪泵（這樣的設(shè)計(jì)是考慮到密封性問題，防止氫氣與氧氣接觸，產(chǎn)生爆炸），驅(qū)動(dòng)渦輪后的廢氣直接排到發(fā)動(dòng)機(jī)外面

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司和國(guó)防科工委于2001年開始對(duì)下一代運(yùn)載火箭進(jìn)行初步研究，該計(jì)劃不只是發(fā)展一個(gè)新的運(yùn)載火箭，還包括對(duì)整個(gè)空間基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行廣泛的升級(jí)，在天津建造新的運(yùn)載火箭和宇宙飛船制造和測(cè)試工廠，在海南島建造一個(gè)新的發(fā)射場(chǎng)，并建造用于兩地轉(zhuǎn)運(yùn)火箭設(shè)備的海上運(yùn)輸船。

長(zhǎng)征五號(hào)的設(shè)計(jì)任務(wù)被分配給中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（即中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院），該火箭是一種全新的設(shè)計(jì)，采用了以前長(zhǎng)征火箭設(shè)計(jì)所沒有的一系列新技術(shù)，包括新的發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)字飛行控制系統(tǒng)、新的焊接技術(shù)等。

長(zhǎng)征五號(hào)系列實(shí)行模塊設(shè)計(jì)，由直徑為5米、3.35米和2.25米的三種模塊構(gòu)成。其中5米模塊包含兩臺(tái)50噸級(jí)YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)（芯一級(jí)）或兩臺(tái)9噸級(jí)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)（芯二級(jí)），3.35米模塊包含兩臺(tái)120噸級(jí)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，2.25米模塊包含一臺(tái)120噸級(jí)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。

模塊化設(shè)計(jì)的好處是可以根據(jù)需要，把不同模塊組裝成不同推力的火箭，以執(zhí)行不同的任務(wù)。例如長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭系列中最強(qiáng)的型號(hào)，以兩個(gè)5米模塊主推進(jìn)器，另配4個(gè)3.35米模塊助推器。

經(jīng)歷種種坎坷 長(zhǎng)征五號(hào)再次屹立海南文昌

長(zhǎng)征五號(hào)作為中國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭發(fā)射系統(tǒng)，與歐洲的阿里安5型（Ariane 5）和美國(guó)的德爾塔IV型（Delta IV）重型火箭的性能并肩。該型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)目的主要是將商業(yè)衛(wèi)星、空間站模塊和深空探測(cè)器送入軌道。

2016年11月3日，長(zhǎng)征五號(hào)遙一火箭搭載實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星，在海南文昌發(fā)射成功，但發(fā)射過程中二級(jí)故障提前關(guān)機(jī)，但上面級(jí)通過延長(zhǎng)燃燒時(shí)間成功把衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。火箭采用“遠(yuǎn)征二號(hào)”上面級(jí)，其動(dòng)力為兩臺(tái)YF-50D發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為四氧化二氮與偏二甲肼。

此次采用芯一級(jí)兩臺(tái)50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)與四枚助推器各兩臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)組合起飛方案，10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火，起飛推力達(dá)1060噸。距離美國(guó)土星五號(hào)的近3000噸起飛推力，還存在一定差距。

長(zhǎng)征五號(hào)底部發(fā)動(dòng)機(jī)布局

2017年7月2日，長(zhǎng)征五號(hào)遙二火箭搭載實(shí)踐十八號(hào)衛(wèi)星，因?yàn)橐患?jí)故障，發(fā)射失敗。公開資料顯示，發(fā)射失利原因是，兩臺(tái)YF-77芯一級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)其中一臺(tái)出現(xiàn)了異常。

此前，天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司總經(jīng)理陶鋼接受記者采訪時(shí)表示，通過對(duì)故障的定位、分析，已經(jīng)查明原因，而且采取了有效措施。如今，長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭又屹立在海南文昌發(fā)射場(chǎng)，已經(jīng)準(zhǔn)備好擇機(jī)發(fā)射。

助力“長(zhǎng)征九號(hào)”載人登月 500噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作不斷推進(jìn)

國(guó)內(nèi)早已經(jīng)意識(shí)到自己在大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面的落后，除了確保“長(zhǎng)征五號(hào)”計(jì)劃順利進(jìn)行，還正著手研制單臺(tái)推力達(dá)500噸的液氧煤油機(jī)及單臺(tái)推力為200噸的氫氧機(jī)，這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)，將是負(fù)責(zé)中國(guó)載人登月、火星考察的“長(zhǎng)征九號(hào)”重型運(yùn)載火箭的主力發(fā)動(dòng)機(jī)。

從左至右依次為：土星五號(hào)、美國(guó)新一代SLS火箭、長(zhǎng)征九號(hào)、美國(guó)藍(lán)色起源公司的New Glenn火箭、SpaceX公司的Starship火箭

今年3月，由中國(guó)航天科技集團(tuán)六院研制的500噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)取得成功。

目前，世界上超過500噸級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)僅有兩款，一款是美國(guó)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這是美國(guó)阿波羅登月的土星五號(hào)運(yùn)載火箭的芯一級(jí)動(dòng)力。另一款是俄羅斯的RD-170，這是迄今為止推力最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力達(dá)到840噸，不過包含四個(gè)燃燒室。

去年11月份，在珠海航展上，俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體展示了RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（RD-170的燃燒室減半）。該公司的總經(jīng)理伊戈?duì)枴ぐ柌甲舴蛟诮邮苡浾卟稍L時(shí)表示，希望中國(guó)可以引進(jìn)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)镽D-180推力達(dá)400噸，可以滿足當(dāng)前的載人登月任務(wù)需求。

RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃燒室

冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)航天部門的預(yù)算大幅削減，急需一款性能穩(wěn)定價(jià)格便宜的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所以俄羅斯的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)成為美國(guó)航天部門采購(gòu)的對(duì)象。2018年1月，據(jù)Ars Technica（美國(guó)一家從事技術(shù)新聞深度報(bào)道的網(wǎng)站）報(bào)道，自2014年克里米亞危機(jī)以來，美國(guó)國(guó)會(huì)一直加大對(duì)本國(guó)航空航天業(yè)的壓力，要求其終止使用俄羅斯生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。一些議員要求聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司在其“宇宙神V號(hào)”運(yùn)載火箭中停止使用俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司計(jì)劃在下一個(gè)10年初期過渡到使用美國(guó)國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用其他已經(jīng)飛行或很快就要上線的美國(guó)火箭，俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的制造商正在尋求別的市場(chǎng)。Ars Technica報(bào)道稱，中國(guó)對(duì)這一發(fā)動(dòng)機(jī)感興趣，但不想購(gòu)買成品發(fā)動(dòng)機(jī)，而是希望獲得生產(chǎn)技術(shù)許可。

美國(guó)開始棄用RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，俄羅斯開始同中國(guó)商談火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的合作。不過，隨著中國(guó)自己的500噸級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)不斷推進(jìn)，可能意味著中國(guó)不需要引進(jìn)俄羅斯的RD-180。

結(jié)束語

1990到2010年之間，中國(guó)將有限的航天資金，集中在載人航天（神舟與天宮系列）與探月工程項(xiàng)目上，具體到運(yùn)載火箭分系統(tǒng)的研制上，主要是對(duì)長(zhǎng)征二號(hào)、三號(hào)液體火箭的進(jìn)行改進(jìn)，但推力性能無本質(zhì)提升。

為全面提高中國(guó)火箭的整體性能，通過多年技術(shù)攻堅(jiān)，作為長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭動(dòng)力的YF-100、YF-77大推力發(fā)動(dòng)機(jī)早已研制成功。如今，克服此前發(fā)射失利的長(zhǎng)征五號(hào)，又一次屹立在海南文昌擇機(jī)發(fā)射。但是，長(zhǎng)征五號(hào)并非中國(guó)航天的終點(diǎn)，更強(qiáng)大的長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭搭載著“載人登月”夢(mèng)想，也已離我們不遠(yuǎn)。