長五發動機威力多大？可把黃浦江的水打到青藏高原

10月28日，海南省文昌市，長征五號運載火箭在海南文昌發射場垂直轉運至發射位置。

　　長征五號大火箭的成功首飛，將中國送入包括美國和俄羅斯在內的世界主流火箭陣營，全世界為之震撼。更讓人驚嘆的是，被稱作火箭之本的發動機，竟是在「短短」10多年間研製出來，趕上這一歷史之戰，成為大火箭首飛大捷的重要功臣。

　　在長征五號的身上，共配備了3種全新大推力發動機，都是國內首屈一指的大傢伙，分別摘得我國「最大推力液氧煤油發動機」「最大推力氫氧發動機」「比沖性能最高的火箭發動機」3個桂冠。

　　如果打一個比方，這些大推力的發動機，就是長征五號的「大心臟」，被認為是運載火箭的技術核心和技術基礎，其技術水平在很大程度上決定著火箭的性能、可靠性和成本等關鍵指標。中國青年報·中青在線記者採訪相關專家，揭秘這一大火箭「心臟」是怎樣煉成的。

　　可把上海黃浦江的水打到青藏高原

　　從鋪天蓋地的報道里，人們對於長征五號運載火箭究竟有多大並不陌生：約57米，立起來有20層樓高，起飛質量約900噸，不過，要托舉這麼重的大傢伙，並不容易。

　　大火箭，離不開大推力，而大推力，離不開發動機。

　　目前，我國現役火箭發動機單台推力最大只有70噸左右，想要發射超大型航天器，就顯得「力不從心」了。

　　新型的大推力發動機應運而生。

　　根據航天科技集團六院副院長周利民的說法，由該院研製的常規推進劑系列發動機，為「神舟」飛天、「嫦娥」奔月和多種衛星的發射提供了動力保證，創造了世界航天史上高可靠性、高成功率的傳奇，被譽為中國的「金牌動力」。然而，航天人並未躺在這一榮譽中，停下研製更先進技術的腳步。

　　周利民說，經過15年不懈攻關，8台全新研製的120噸液氧煤油發動機，被裝配在長征五號運載火箭的4個助推器上，4台全新研製的氫氧發動機，則在一級和二級火箭上各裝配了兩台。

　　在長征五號首飛成功之時，有一個說法備受矚目，即這是無毒無污染綠色環保型新一代運載火箭、起飛推力超過1000噸、運載能力最大，等等。要達成這些目標，都離不開大推力發動機的功勞。

　　那麼，這些發動機的威力究竟有多大？

　　以120噸液氧煤油發動機為例，周利民打了個形象的比喻，渦輪泵是發動機的動力源泉，被稱為發動機的「心臟」，即火箭心臟的「心臟」。這個「心臟」的最高壓強達到500個大氣壓，相當於把上海黃浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。

　　50噸氫氧發動機，作為長征五號的一級主動力，也表現不俗。

　　這是我國首台大推力、高性能、地面起動直接入軌的氫氧發動機。航天科技集團六院副院長李斌說，它的研製成功，填補了我國大推力氫氧發動機空白，使我國液體火箭推進技術的整體水平跨上一個大的台階。

　　在中國航天界，有一句話被奉為圭臬，即「發展航天、運載先行」「運載發展、動力先行」。畢竟，動力系統是火箭之本。

　　中國工程院院士、中國運載火箭技術研究院運載火箭系列總設計師龍樂豪說，長征五號的研製歷程就完美地印證了這句話。早在2000年，我國先行啟動了120噸級液氧煤油發動機和50噸級液氫液氧發動機研製攻關，過了6年，即2006年，長征五號才真正在國家層面取得正式立項。

　　破解大火箭「心臟」難題

　　不過，這一研製過程並不容易。

　　周利民有一個形象的說法，研製發動機就像攀登珠穆朗瑪峰的難度，「一些外國專家說，即使我們設計出來，我們也不可能把它製造出來」。

　　他至今記得，面對全新的發動機，研製團隊開始了夜以繼日的科技攻關，幾十種新材料、100多種新工藝一一被攻克。然而，發動機的起動成為一隻最大的攔路虎。

　　周利民說，所謂起動，就類似於飛機的起飛，而起動技術，是發動機研製的難點和關鍵。「因為在起飛階段，發動機的轉速，要從靜止狀態轉到幾萬轉，溫度則從常溫一下子進入到極高溫，而留給我們的控制時間，則是以毫秒級來計的，任何一個控制配合不好，就有可能導致失敗。」

　　最初讓研製團隊備受打擊的是，發動機樣機研製出來後，其試車結果連續4次均遭失敗：兩次起動爆炸，兩次燃氣系統燒毀。

　　周利民說，這些對整個研製隊伍、設計隊伍信心打擊非常大，很多人做夢都夢見爆炸的場景，吃不下飯，睡不好覺。

　　經過一段時間的攻關，研製團隊終於摸清了發動機試車失敗的根源和發生爆炸的不同機理，通過模擬優化，選定最理想的啟動方案和程序，發動機終於試車成功。

　　不僅如此，凡是與發動機這個大「心臟」有關的，都有一個個坎兒要邁，「8Hz」難題就是其中一個。

　　8Hz，聽起來比較專業，但說起它帶來的影響，可能都有印象。航天科技集團一院長征五號火箭動力系統總體主管設計師於子文說，長征二號F遙5火箭產生的8Hz振動，就曾給我國第一位航天員楊利偉帶來極大的痛苦。

　　這種共振就像人的心臟不停地抖動一樣，嚴重威脅生命。同樣在火箭上，共振會造成箭體結構損壞，後果不堪設想。

　　作為大火箭，長征五號的體積比普通火箭更大，在飛行過程中，就可能產生比長征二號F遙5火箭更強烈的振動。要保證火箭可靠飛行，就必須抑制這一振動。

　　於子文就是專門破解這個難題的，他所在的團隊攻克了POGO穩定性設計難關，突破了複雜動力學建模、大型管路動態特性試驗、大型低溫蓄壓器設計研製等關鍵技術，為長征五號火箭可靠飛行提供了強有力保障。

　　重型火箭正向我們走來，關鍵技術已在攻關

　　如今，長征五號成功發射，中國從此擁有大型運載火箭。

　　這個將於2017年年底擇機執行「嫦娥五號」發射任務、2018年擇機執行空間站工程發射任務、2020年前後執行火星探測器發射任務的大火箭，也為我國未來重型火箭的研製積累了相關技術，這其中就不乏發動機的技術儲備。

　　根據國家航天局前局長欒恩傑的說法，長征五號的研製，牽引出「心臟」系列化，即三型高性能新型火箭發動機，均採用無毒無污染的推進技術。這三型發動機的研製，使我國運載推進技術水平大幅提高。

　　李斌舉了一個例子，他所在的航天科技集團六院建成了亞洲最大的火箭發動機試車台和大功率泵試驗室，其中試車最大能力達到500推力噸級，這為我國研製載人登月重型運載火箭的大推力發動機奠定了基礎。

　　所謂重型運載火箭，是指近地軌道運載能力達100噸級的一型火箭，按照欒恩傑的說法，重型運載火箭研製成功後，將滿足未來較長時期深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動任務需求。

　　近年來，美國、俄羅斯等世界航天強國均把發展先進的航天運載技術確立為國家的重要戰略，紛紛制定和出台了多項推動空間技術發展的航天政策和規劃。美國重型運載火箭「太空發射系統」已轉入詳細設計和製造階段，俄羅斯計劃在2030年前研製出重型運載火箭並實現載人登月。

　　長征五號首飛成功的當天晚上，國防科工局總工程師、國家航天局秘書長田玉龍就披露，我國的重型火箭也已經在路上。

　　田玉龍說，國防科工局已於2010年開展重型運載火箭論證，歷時一年形成總體方案，通過組織深化論證並經相關領域院士專家諮詢，在2015年明確了重型運載火箭技術方案。

　　目前，我國已經批准重型運載火箭第一個研製階段立項研製，即關鍵技術攻關及方案深化論證階段。從2015年起，利用4~5年時間，開展關鍵技術攻關工作，集中突破一大批核心技術。

　　而發動機的研製，又將是其中的重頭戲。

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