中国火箭的“心脏病”

我们的火箭除了推力小一些意外，循环方式上也不够先进。液体火箭发动机的技术先进与否性能高低很大程度上取决于其循环方式。

简单来说，循环就是指将推进剂通过不同方式和路径输送到燃烧室的整个过程，这是一个实现起来很复杂的过程。比较简单的循环方式是挤压循环，就像是注射器给人打针那样，靠压力将燃料挤入燃烧室中。可以通过简单地为储箱增压，通过压力将燃料和氧化剂压到燃烧室燃烧。挤压循环的优点就是避开了结构复杂的涡轮机，泵和输送管道。使用挤压循环可以大幅降低发动机成本和复杂度。但是这种方式的弊端也同样明显，因为压力不能过大，否则储箱受不了，而且随着燃料的逐渐消耗，压力会逐步减少，且携带的压力装置数量有限，这样燃料的输送量就受到限制，很难将其用于大推力的运载火箭发动机，主要用于一些小推力火箭。

于是，人们发展了用涡轮泵将燃料和氧化剂泵入燃烧室。那么用什么来驱动这个泵呢？最早的是便是燃气发生器，这就诞生了燃气发生器循环。燃气发生器循环是一种开式循环，最终的“废气”（实际上仍然含有一定能量）要排放到发动机以外，不能充分利用燃料的“剩余价值”。

于是，人们就想到，用发动机燃料的在预燃室燃烧来驱动涡轮泵，通过涡轮泵将大量的燃料泵入燃烧室的同时，第一次燃烧后的气体进入主燃烧室进一步燃烧，这就是分级燃烧循环，也被称为高压补燃循环。这就大致相航空发动机加装“加力燃烧室”，坦克发动机用上了废气涡轮增压（当然不是那么准确）。更重要的是，燃烧室此时进行的是“液-汽”燃烧，要比“液-液”燃烧更可控和充分，当然最充分的是“气-气”燃烧。这种循环发动机燃烧充分，利用效率高，再加上预燃室的推进剂流量大，可以为涡轮泵提供足够的工质，让发动机能在更高的室压下工作，并获得更高的性能。当然，这种循环方式的泵、涡轮和管路系统质量大、复杂，研制难度和成本高。一般来说，大推力发动机主要是使用燃气发生器循环和分级燃烧循环，而后者的比冲通常较高，代表着大推力发动机的先进循环方式。

除此之外，还有一种膨胀循环方式。这种循环方式，燃料燃烧前通常被主燃烧室余热加热，当液态燃料通过在燃烧室壁里的冷却通道时，“膨胀”为气态。膨胀后的气压差推动涡轮泵转动，从而使推进剂高速进入燃烧室燃烧产生推力。这种循环方式要比分级燃烧结构更为简单，但是现有产品的推力比较小，主要用于液氢液氧上面级。但是日本正在研制的打算用于H-3火箭芯主发动机的LE-9发动机采用了膨胀排放循环，真空推力高达150吨，比H-2B运载火箭的采用分级燃烧形式的芯级主发动机LE-7还高出不少。

日本在研的LE-9开式膨胀循环发动机

长征-5芯级使用的YF-77液氢液氧发动机就是一种燃气发生器循环发动机，它与先进国家的大推力氢氧机，包括日本的H-2B使用的分级燃烧的LE-7氢氧机相比技术上仍然落后不少，不仅推力小（不到LE-7的一半），而且比冲也偏低。而YF-100的研制成功，虽然使中国成为世界上第二个掌握高压补燃煤油机技术的国家，但是与俄罗斯的煤油机的推力仍有差距，美国不用高压补燃煤油机，更主要的原因还是技术路线的问题，而非不能。

和重型“德尔塔-4”火箭一比，就能看出长征-5号和世界先进水平差在哪里。重型“德尔塔-4”的LEO运载能力超过了长征-5号，GTO能力相当，但是起飞重量却只有732吨，比长征5号轻了近140吨。重型“德尔塔-4”的一级包括一个芯级和两个助推器，两侧的助推器和芯级都是一样的5米直径构型，只用了3台RS-68A氢氧发动机。RS-68A是一种先进的燃气发生器循环氢氧发动机，其海平面最大推力3137千牛（是YF-77的6倍多），真空比冲411.9秒。其实真空比冲不算高，但是他针对大气层内飞行进行了优化，海平面比冲超过YF-77不少。客观来说RS-68A虽然推力高，但循环方式并不是太先进，真空比冲在氢氧机种也不算高，如果和日本的LE-7系列比较，比冲就更小些了。

重型德尔塔-4运载火箭

总体说，长征-5的发动机技术，如果放在美俄，大概是在上世纪60年代初中期就实现了的。但是我们不能简单地说长征-5的火箭发动机就是上世纪60年代的水平，因为那是一个火箭发动机大发展的时代，一些“史诗般”的作品和技术就诞生在那个年代。例如，美国用于登月火箭的F-1燃气发生器循环氢氧机，截至目前仍然是世界第一大推力的单燃烧室液体火箭发动机。那个年代苏联研制的用于登月火箭N-1的NK-33高压补燃煤油机，封存到了新世纪，启封后还卖给美国公司组装“安塔瑞思”火箭。

通过上面的介绍，我们大概也了解到，火箭发动机同样是航天业急需提升的一个弱项，就像发动机对于航空工业一样。所以有知乎用户调侃：“其实国产火箭发动机一直就是弱项，万户当年就是因为国产发动机不行才失败的。”

人们有一种印象，认为中国航天发射的成功率很高，但是根据航天科技集团专家的统计，在本世纪初设想研制长征-7号和长征-5号的时候，长征系列运载火箭在当时10种主要运载火箭中，其发射成功率位居第七，处于中间偏低的位置。长征-3甲系列运载火箭经过多轮的可靠性提高改进，才使其可靠性达到较高的水平，但是其总发射量相对美俄经典火箭偏少，一次失败，就会令其总体成功率降低不少。

其我国目前使用的长征-2、长征-3和长征-4号运载火箭的基本设计都脱胎于上世纪70年代研制的东风-5号洲际弹道导弹。而东风5号的发动机采用的发动机基本上是美、俄上世纪五十年代末的技术。

当然，火箭使用的液体火箭发动机也不能光去拼比冲、推力、推重比等硬指标，可靠性、成本更是需要考虑的重要方面。从这方面来看，我国新一代火箭各项指标还是比较均衡的。当长征-5号成功的时候，我们应该在为鼓掌、感到欢欣鼓舞的同时，也要看到并正视差距。当长征-5号失败的时候，也要知道，这是中国在长期有限的资金和科研投入长期欠账下取得的难得的成就。

同时，我们有理由对中国火箭的未来更有信心。

毕竟长征5号的研制团队平均年龄只有35岁，长征5号，只是一个开始。

未来属于他们。

在我们普通人看来，今天看到长征五号这次发射的失利，感觉很痛心。但是在航天工业发展的历史长河中，这样的失败真的不算什么。中国航天曾经面对的压力和困难远非现在能够想象的。但是，一路走来，航天人披荆斩棘，克服一个一个困难，一直走到了世界航天工业第一集团。我们相信没有什么困难是不能克服的。

最后，我们用中国航天之父钱学森的一句话与航天人一起共勉：”科学试验如果次次都能成功，那又何必试验呢？经过挫折和失败，会使我们变得更聪明。”

文/张亦驰 来源：看空天

转载请注明：北纬40° » 长征五号运载火箭在国际上处于什么水平？