長征六號火箭有哪些技術突破？

我國於9月20日成功發射了長征六號火箭，將20顆衛星同時送入了距地球524公里的軌道中。這次發射的火箭，看起來沒有把「神舟」送上太空的長征-2F「神劍」火箭那麼雄偉，搭載的衛星也沒有奔月的「嫦娥」那麼引人注目，但它卻標誌著我國火箭技術和一箭多星技術的升級。

液氧煤油發動機：不僅僅是環保

火箭能夠升空，其基本原理和我們兒時熟悉的花炮「躥天猴「類似。當我們燃放「躥天猴」時，花炮中的火藥被點燃。在燃燒的過程中，火藥和空氣中的氧氣反應生成氣體，燃燒產生的熱量使生成的氣體被加熱，向花炮外噴射。奔出的氣體產生的反作用力推動躥天猴飛上天空，產生大家喜聞樂見的效果。火箭發射時，它所用的」火藥「是攜帶的專用燃料。隨著火箭飛行高度的增加，氧氣會越來越稀薄，火箭還要自帶「空氣」，也就是燃料燃燒所需的氧化劑。燃料和氧化劑在火箭發動機中被混合、點燃、加壓後向外噴出，為火箭升空提供推力。

使用固體燃料和氧化劑的火箭被稱作固體火箭。固體燃料火箭雖然結構簡單、成本低，但其點火後的飛行較難控制，一旦點火後就不能關機，因此其在軍事領域的應用更多。在目前的民用航天中，使用最多的是使用液體燃料、氧化劑的液體火箭。我國在航天發射中使用的「長征」系列火箭，都是液體火箭。在長征六號之前，我國的大部分火箭發動機使用偏二甲肼作為燃料，四氧化二氮作為氧化劑。例如將神舟飛船送入太空的長征2F火箭，火箭本體的第一級就由4台使用偏二甲肼-四氧化二氮的發動機構成。捆綁在第一級外的四個助推器，每個上面也安裝了一台相同的發動機。火箭起飛時，總共能夠提供600噸的推力。

使用偏二甲肼和四氧化二氮作為燃料和氧化劑，技術上雖然成熟，但這兩者都是劇毒物質。如果向火箭加註燃料時不慎發生泄漏，會對操作人員造成致命威脅。其生產、儲運過程也可能發生危險。新一代的液氧煤油發動機，使用煤油作為燃料，液氧作為氧化劑。兩者都是清潔無毒的材料，保證了操作人員的安全。長征六號的首次發射，也是我國液氧煤油發動機的成功首飛。

除了安全無毒，液氧煤油發動機更大的優勢，在於單台發動機可以提供更大的推力。長征六號使用了一台YF-100型液氧煤油發動機，能夠提供120噸的推力，已經比長征2F火箭發動機每台75噸的推力高出了60%。我國的下一代重載火箭長征五號也將使用這種發動機，使其起飛時的總推力達到1060噸，可以發射空間站等大型載荷。

在六十年代美國和蘇聯的登月競賽中，發動機技術的高低起到了關鍵作用。美國研製成功了680噸推力的F-1型液氧煤油發動機，在土星5號火箭的第一級安裝了5台，使火箭的總推力達到3400噸，成功發射阿波羅飛船登月。同期，蘇聯的NK-33發動機僅能提供150噸的推力。計劃用於登月的N-1火箭不得不安裝了多達30台發動機。發動機台數太多、動力系統過於複雜，加上質量控制不過關，導致火箭可靠性降低，「N-1」火箭4次飛行試驗全部失敗，整個登月計劃不得不草草收場。為了給今後載人登月做準備，我國也在抓緊研製更大推力的液氧煤油發動機，已經提出了300、500、600噸級液氧煤油發動機的技術方案。長征六號發動機在製造、發射過程中的經驗，對這些發動機的研製有重要的參考價值。

（500噸級液氧煤油發動機設計圖）

此外，液氧和煤油的價格也相對便宜，液氧由空氣分離而來，價格不到2000元/噸，煤油為石化產品，價格約為1萬元/噸。而偏二甲肼的價格約為8萬元/噸，四氧化二氮的價格約為1.7萬元/噸。使用液氧和煤油能降低發射成本。在發動機設計時，採用了補燃循環的的動力循環方式。給渦輪泵提供能量的那部分燃料，在渦輪泵中未燃燒完全的，還能進入燃燒室進行二次燃燒，直接成為火箭飛行的動力。這樣，燃料燃燒的效率被進一步提高。

一箭20星：歷史之最

早在1981年，我國在發射「風暴一號」火箭時，就已經掌握了一箭多星技術。這次用長征六號一次發射了20顆衛星，創下了我國一箭多星發射的歷史記錄，也是亞洲一次發射衛星最多的紀錄。這次發射的衛星數量雖多，但個頭都不大。一般衛星的重量都以噸為單位，如我國的東方紅3號通信衛星，重量約2噸。美國的GPS導航衛星，每顆重量約為0.8噸。而這次發射的20顆微小衛星，最大的才重100公斤。這些小衛星集成度高、成本低，可以為高校、科研機構開展研究提供低成本的渠道。在火箭中，較大的衛星被設置成主星，主星連接的搭載星適配器上可以再放置多顆更小的衛星。這樣，主星和適配器組成的單元被分層放置在整流罩中，隨火箭一起發射向太空。在衛星和火箭分離時，火箭要不停的變換姿態，以使釋放出的衛星之間不發生相撞。

一箭多星技術，和軍事上的彈道導彈分彈頭再入技術有著一定聯繫。一枚彈道導彈如果同時裝載多枚彈頭，就可以在接近目標區域時將多個彈頭分別釋放出來，打擊不同的目標。當一枚彈道導彈攜帶的彈頭數量在5到15個時，敵方的反導系統同時攔截這些彈頭的可能性幾乎為0。可以期望，一箭20星的壯舉，也將為提高我國的軍事實力打下基礎。

參考內容：

李斌等，我國新一代載人火箭液氧煤油發動機，載人航天，2014，20（5）：427

李斌等，載人登月主動力——大推力液氧煤油發動機研究，載人航天，2011（1）：28

譚永華，大推力液體火箭發動機研究，宇航學報，2013，34（10）：1303

陳振知，長征四號乙／丙運載火箭多星發射技術現狀與展望，上海航天，2013，30（5）：43

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