天地之间，来去自如——液体火箭发动机的故事

□ 张美书 张 平

2012年6月16日，茫茫戈壁，见证了液体火箭发动机创造的又一段传奇。

“五、四、三、二、一，点火！”，0号指挥员摁下按纽，酒泉卫星发射基地发射塔矗立的火箭底部，腾地升起一团火焰，瞬间火焰膨胀，伴随震耳欲聋的声音，巨大的烟雾铺天盖地，而火箭已经离开地面，载着景海鹏、刘旺、刘洋等3名中国航天员的神舟九号飞船朝着浩渺的太空去……

霎那间，酒泉卫星发射基地指挥大厅里，掌声如雷，神舟九号发射成功的喜悦让所有人都为之激动欣喜。

然而，谭永华那颗悬着的心，仍然没有落地。作为中国航天科技集团公司第六研究院院长，谭永华深知，只有等到3名航天员安全返回，航天科技六院为载人交会对接任务研制交付的近百台发动机，才算真正完成了使命，那个时候，才是六院职工庆祝的时刻。而这一刻，伴随着6月29日3名航天员健康“回家”。谭永华的脸上，才真正露出了欣慰的笑容。

飞向太空，汇聚冲天能量

YF-77发动机点火试验

液体火箭发动机，是火箭、飞船和飞行器的动力之源，是人类问鼎太空的“天梯”。航天科技六院是我国唯一集运载火箭主动力系统、轨姿控动力系统及空间飞行器推进系统研究、设计、生产、试验为一体的航天液体动力研究院。从神舟九号点火升空，准确入轨，与天宫一号实现自动、手控交会对接，到航天员返回地面，六院研制了近百台功能各异、性能优越的全系列发动机，确保了此次载人交会对接任务圆满完成。

发动机是火箭和飞船的心脏，也是最容易“出事”的部位。美国的挑战者号航天飞机的失事，就与发动机有关。而从神舟一号到神舟九号，航天六院所提供的发动机成功率达到100%。人们不禁要问，航天六院研制的液体火箭发动机是如何确保中国航天员在天地之间来去自如的呢？

国防科工局副局长胡亚枫（右一）、航天科技集团公司总经理马兴瑞（右二）等指导新一代运载火箭发动机试车

航天科技六院庆祝交会对接获得成功

1992年3月22日的惊魂一幕仍然历历在目：在西昌卫星发射中心，长征二号捆绑火箭托着“澳星”耸立在发射架上。随着倒计时的喊声，8台助推发动机和一级发动机同时点火，火箭喷出烈焰，但又猛的收缩，开始熄灭。长二捆火箭只是轻微的一晃，并没有腾空而起。紧急关机，但火箭泄漏的燃料烟雾仍笼罩着整个箭体，400多吨重的火箭只靠着一个支点撑着，就像一颗巨大的炸弹。如果爆炸，发射场将成为一片火海，半径6千米内地面的氧气将被夺去，靠肺呼吸的生物将窒息。

“难道是发动机出了问题？”远在千里之外的航天科技六院一万余名职工，心都提到了嗓子眼。事后经过分析，发动机没有问题，是负责点火控制的程序配电器有铝质多余物，导致发射未能成功。

液体火箭发动机，再一次经受住了严峻的考验。

液体火箭发动机是高温、高压、高热流密度的复杂系统，融合了热力、气动、燃烧、流体等多个学科，涉及到机械、材料、化工等多种行业，其发展水平是一个国家进入空间、利用空间能力的重要标志，是综合国力的体现。

六院科研人员介绍，人命关天，作为中国首次载人交会对接任务，最重要的目标就是确保安全。就发动机来说，有“两怕”，分别是堵和漏。特别是飞船的动力系统，有些管路口径细到0.2毫米，特别怕堵。而推进剂方面，又害怕漏。漏了，主动力就达不到要求，无法把飞船送上预定的轨道。与神舟八号相比，神舟九号飞船发动机防堵防漏的能力进一步提高。比如一些交叉焊缝的质量一致性和稳定性不够，容易受震后发生断裂等情况。他们就通过结构改造，用整体锻造的方式，减少了几个这样的交叉焊缝，提高可靠性。另外，把一些铝制的部件，换成钢的，提高了强度。2011年11月，神舟八号飞船与天宫交会时，六院科研工作者发现在真空中发动机外面有一层红色的光圈，说明真空中发动机的热量很高，通过增加热防护，顺利实施了对部件的保护。

在飞向太空的征程中，航天员的生命安全无疑永远是第一位的。从火箭点火开始，最大的震动源来自于主发动机。航天员会感受到震动，如果震动加剧，对航天员产生的影响很大。这促使六院科研工作者力求让发动机的燃烧更加平稳。于是在燃烧装置生产试验过程中，他们对部件进行优选，比神舟八号的要求更严。优选后，燃烧装置的淘汰率达到50%，可以说是在合格产品中优中选优，被淘汰的部件其实在一般的火箭发射中是完全可以用的。

在这次载人交会对接任务中，最惹眼的，莫过于3名航天员在神舟九号飞船和天宫一号舱内来回进出和多次交会对接了。而事实上，确保交会对接的精准可靠是最难的。对接靠的是动力，要求精准度，不能有偏差。而这次交会对接，与2011年的无人交会对接不一样的是，就是增加了手控功能。

其实，从神舟八号与天宫的对接来看，对接是非常平稳的，是不需要进行人工干预的，因为系统能够达到对接的要求。但是，为了今后建设空间站的需要，这一次神舟九号特别安排了航天员进行手动操作，增加航天员自我决策的环节。而在这些环节中，飞船上的发动机不但没有停止工作，反而显得更加忙碌起来了。特别是在几次大的变轨后，就要进入小调整阶段，比如400米和140米停泊点，这时需要飞船上的小发动机工作，进行姿态调整，比如减速、平移、俯仰等等，确保神舟九号与天宫一号实现精准对接，完美交会。

安全返回，一路保驾护航

长征火箭二级发动机摇摆试车

长征火箭一级和助推器发动机

天宫一号热控系统外回路泵热真空试验

长征二号F火箭二级发动机气密检查（张志敏摄）

航天科技六院不仅研制生产了火箭的动力系统，神舟飞船与天宫一号飞行器的动力系统也是由六院设计生产的。无论是飞船的姿态调整，还是飞船与目标飞行器的交会，特别是飞船返回舱的安全返回，都需要发动机的帮助。

神舟九号飞船的推进分系统，由返回舱推进子系统和推进舱推进子系统组成。神舟九号与天宫一号一次次精准的定位、靠拢、调节均要靠控制飞船上大小不一的姿控发动机来完成。

神舟九号飞船的发动机大小不一，其作用也各不相同，大的发动机能产生2500牛顿的动力，而最小的发动机却只产生25牛顿的动力。正是这些推力不尽相同的发动机组成的合力，才能帮助神舟九号飞船完成交会。

神舟九号飞船推进系统共配置48台推力从25牛顿~2500牛顿的5个品种姿态控制发动机，提供推进舱、返回舱俯仰、偏航和滚动所需的动力，也可以说，在航天员操作交会对接全过程之前，这些小发动机起到了关键作用。为了保证安全，神舟九号飞船的发动机都有备份，对于航天员来说，他们都要学会故障排除模式，也即当一个发动机出现问题时，航天员要通过指令，让备份发动机开始工作。

在这次载人交会对接任务中，人们最牵挂的，莫过于3名航天员完成对接任务后，能否安全返回？

而在航天员安全返回的漫漫征程中，航天六院研制的飞船推进系统发动机，同样发挥了关键作用。

神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器分离后，神舟九号推进舱发动机按照预定程序开始工作。待轨道舱与推进舱分离后，由推进舱上的发动机制动点火，进入返回轨道，实施姿态调整。推进舱与返回舱分离后，搭载3名航天员的返回舱开始进入到自由滑行阶段。

返回舱在滑行到离地面140千米，在进入大气层之前，返回舱发动机开始启动，将返回舱调整到再入大气层的攻角，保持一定的姿态，使返回舱始终处于稳定状态，这是保障航天员安全返回地面的关键环节。通过发动机一系列精准可靠的工作，返回舱始终保持稳定的姿态进入到大气层，一直工作到降落伞安全顺利打开，航天六院研制的飞船推进系统使命才算真正完成。从这个意义来说，航天六院研制的飞船系统发动机是航天员安全返回的根本保障。

六院研制的神舟飞船推进分系统推进舱的承力截锥模块结构，出厂前进行气密测试试验

载人航天飞船推进舱系统电联试

未来天路， 更加顺畅美好

尽管火箭名称不同，但它们的动力系统却有着良好的继承性，就像优秀的基因一般，被“遗传”下来。目前我国的火箭发动机水平，与欧洲、美国和俄罗斯相比，总体来看，仍然存在一定的差距。就常规动力来讲，经过这些年来的不断改进，我们发动机的稳定性与可靠性非常好，能够完成现今的发射要求与任务。

然而，目前总推力600吨的现役火箭，远不能满足未来我国载人登月、深空探测的需求。仅以此次神舟九号飞船来说，目前的长征二号F火箭只能发射9吨左右的有效载荷，而分配到航天员工作的轨道舱、返回地球的返回舱，其空间大小可想知。

值得欣慰的是，目前航天科技六院研制的120吨级液氧煤油发动机已通过国家验收，推力比我国现有长征系列运载火箭发动机提高60%以上，使我国成为继俄罗斯后第二个掌握液氧煤油高压补燃发动机技术的国家，其运载能力还有进一步提升的潜力，使我国的航天运载技术迈上了一个崭新的台阶。

使用新的发动机技术，就能使我国的火箭动力系统处于世界先进水平。更重要的是，新一代发动机将从一次使用变身为可重复使用，而且使用的是无毒环保的能源，其应用的领域会更加宽广。现阶段我们使用的发动机单台推力是75吨，火箭的运载能力是9吨左右。而新一代大推力发动机单台推力达到了120吨，比如长征五号火箭，就将使用这种新型发动机，能够将火箭运载能力提升到20吨。届时，中国航天员的飞天之路将会变的更加顺畅，在太空工作和生活的空间也会变得更加舒适和美好。

火箭发动机试车指挥间

当今世界，航天活动蓬勃发展，载人登月、登陆火星和深空探测已成为各航天大国活动的热点，大推力火箭发动机是进入空间、利用空间能力的重要标志。高性能、高可靠、低成本、无毒环保、操控性好仍是大推力火箭发动机发展的重要方向。不仅如此，在未来的岁月里，发展可重复使用运载器，实现“快速、廉价、可靠”进出空间是航天运输系统持续追求的目标。

可重复使用运载器，第一步，是可重复使用运载火箭。航天飞机等已实现了部分重复使用，多次使用火箭发动机技术是可重复使用运载火箭的关键技术之一。第二步，融合航空、航天技术的水平起降空天飞行器，是实现航天运输系统完全可重复使用的终极目标，吸气式组合循环动力技术是空天飞行器的关键技术。吸气式组合循环动力有机融合了火箭发动机、冲压发动机等动力方式，通过工作模式转换为飞行器起飞、穿越大气层、入轨、轨道机动、轨道再入、降落等不同飞行阶段提供动力，实现飞行器完全可重复使用。

谭永华表示，今后十年，是中国运载火箭和火箭发动机技术发展的关键时期，中国液体动力技术将紧密结合我国航天事业发展需求，增强现役火箭可靠性和适应性，完成新一代运载火箭发动机研制工作，全力开展更大推力液体火箭发动机研究，实现我国液体动力技术跨越式发展，为中国航天持续发展提供强力保障。

新一代运载火箭发动机试车