原标题：

Progress in Technology of Main Liquid Rocket Engines of Launch Vehicles in China

摘要：

       运载火箭的液体火箭发动机是一项重要的航天技术，代表着一个国家的先进技术水平。近年来，我国航天事业取得了令人瞩目的成就，液体火箭发动机技术也得到了有目共睹的发展。本文论述了我国液体火箭发动机的发展过程。介绍了我国新一代液体火箭发动机的性能特点和新一代运载火箭的飞行试验情况。最后介绍了下一代大推力液体火箭发动机的发展方向和最新进展。

引言：

       中国液体火箭发动机的发展历史经历了三个阶段：起步模仿、自主研究和全面创新升级。中国目前的液体火箭发动机系列包括常温推进剂发动机、低温推进剂（液氢/液氧）发动机和高压分级燃烧循环（High-Pressure Staged Combustion，HPSC，按实际情况指的就是高压补燃，YF-100系列发动机）液氧/煤油火箭发动机。

       我国从上世纪70年代开始研制长征二号、长征三号、长征四号系列运载火箭，以750KN级四氧化二氮/偏二甲肼（N2O4/UDMH）火箭发动机作为主要的动力装置。借助这些运载火箭，我们成功地实现了卫星发射、载人航天和前两期的探月工程（绕、落阶段）。

       尽管长征二号、长征三号和长征四号家族仍在服役并执行大部分的发射任务，但有限的发射能力限制了它们在现在的服务能力。而且要注意的是，它们的推进剂不是无毒或环保的。中国在上世纪90年代初决定进行改革，发展1200KN高压补燃液氧煤油火箭发动机和500KN液氢液氧火箭发动机。而到现在，长征五号、长征六号、长征七号的发射陆续常规化，使我国运载火箭的发射能力得到了显著的提高，将全面承担我国空间站建设，探月工程三四期等任务。

       进入21世纪以来，为适应人类登月和其他航天工程的需要，以及广阔的深空探索需求，中国在登月舱、重型运载火箭及其推进系统等方面进行了构想和十分先进的研究，已确定研制4800KN液氧煤油火箭发动机（现称YF-130，原称YF-480/YF-460）和2000KN液氢液氧火箭发动机（现称YF-90，原称YF-220），这将是我国大推力液体火箭发动机研制的重点任务。

我国现役液体火箭发动机的现状：

【1】长征二号、长征三号及长征四号家族的液体火箭发动机

       长征二号、长征三号和长征四号运载火箭共有18个子版本，其中13个仍在服役。这其中第一个发展阶段的产物是长征二号，这枚运载火箭是基于战略洲际弹道导弹修改而来的。然后根据运载火箭的技术和要求进行发展，相继研发出长征三号、长征三号甲和长征四号运载火箭，这三个运载火箭是第二个发展阶段的产物。在第三阶段，长二捆（长征二号E）被研发并用于商业发射。在第四阶段，成功研发出了为载人航天方面设计的长征二号F运载火箭。长征二号、长征三号和长征四号系列的主发动机包括YF-20（710KN）、YF-40（49KN）常温推进剂火箭发动机，YF-73（44KN）、YF-75（83KN）低温推进剂火箭发动机，这四种发动机是从20世纪60年代到80年代研发发展而来的，它成功地进行了300多次发射，成为过去众多发射成功的坚实基础。

       YF-20是常规运载火箭长征二号、长征三号和长征四号系列的主发动机，它是一种燃气发生器循环的偏二甲肼/四氧化二氮发动机。它不仅可以作为助推器的发动机，也可以四引擎并联作为它们的一级发动机。

       在二级，YF-20与游机进行搭配，组成新的推进系统以提供动力。长征三号运载火箭还有搭载着 高 性 能 燃气发生器循环液氢液氧发动机YF-73的三级，其真空推力44KN，真空比冲420s；长征三号甲在第三级采用了性能更高的YF-75液氢液氧火箭发动机，YF-75由两台单机组成，并继续采用燃气发生器循环，单机真空推力83KN，真空比冲440s，长征四号运载火箭的三级采用常温推进剂发动机YF-40，YF-40依然采用燃气发生器循环，真空推力49KN，真空比冲303s。

       在这些常规运载火箭的研发和应用中，基本的发展过程，即“研究与设计-开发与集成-测试与验证-改进-再设计”，加上一套适合中国工业基础和管理的研究和发展方法，这些将是未来中国航天事业发展的最重要的资产。

【2】新一代运载火箭长征五号、长征六号和长征七号的液体火箭发动机

①长征五号、长征六号和长征七号的介绍

       我国新一代运载火箭长征五号、长征六号、长征七号等全部采用90年代中期研制的YF-100（1200KN级）、YF-115（180KN级）、YF-77（500KN级）、YF-75D（90KN级）等新一代高性能环保火箭发动机。这四种新型发动机显著提高了我国运载火箭技术基础，丰富了我国运载火箭体系，将为运载火箭的研发做出重要贡献，成为未来我国航天事业的重要基础。

       1200KN的YF-100是中国第一台富氧分级燃烧循环的火箭发动机，180KN的YF-115是第一台分级燃烧循环的真空发动机。500KN的YF-77是我国第一台大推力液氢液氧发动机，90KN的YF-75D是我国第一台闭式膨胀循环液氢液氧发动机，这表明我国已全面掌握了液氢液氧火箭发动机的燃气发生器和闭式膨胀循环的技术。长征五号、长征六号和长征七号的首次试飞都取得了成功。长征五号B向近地轨道（LEO）的发射能力已达到25吨。

       长征六号于2015年9月20日首飞成功，它是一种两级运载火箭，用于发射小型卫星，700km太阳同步轨道（SSO）的有效载荷能力为500千克。第一级采用一台YF-100发动机，第二级采用一台YF-115发动机。长征六号运载火箭具有燃料环保无毒，发射准备时间短的特点。

       长征七号是一种两级半运载火箭，推进剂无毒，可靠性高，用于中国载人航天工程的货运飞船发射，于2016年6月25日首飞成功。长征七号的推进系统包括在一级的两台YF-100，四台在二级的YF-115，和每个助推器一台的共四台YF-100，它们可以将13.5吨的有效载荷发射到近地轨道，或使用长征七号甲将约7吨的有效载荷发射到地球静止转移轨道。

        长征五号是两级半运载火箭，其动力装置包括一级的两台YF-77、二级的两台YF-75D和四个助推器的共8台YF-100发动机。它向GTO发射14吨有效载荷，而它的一级半版本——长征五号B能够向LEO发射25吨的有效载荷。2016年11月3日，长征五号成功进行首飞。然而，2017年7月2日的第二次飞行失败了。在接下来的两年中，我们进行了一系列的调查和试验，以解决有关液氧涡轮泵结构坚固性的问题。2019年12月27日，长征五号成功进行了第三次飞行，验证了调查和优化，成功复飞。而长征五号B于2020年5月5日成功发射。

②新一代推进系统特点

       YF-100是一种大推力、高性能、无毒、高可靠性的液氧煤油火箭发动机。采用先进的富氧分级燃烧循环和自启动方案，具有大范围的推力和混合比调节能力。攻破了富氧分级燃烧循环液氧煤油火箭发动机的系统设计、分级燃烧循环发动机的启动和可靠性控制、大范围的推力调节、大功率涡轮泵、大流量高效稳定燃烧、推力室可靠的冷却，新材料的应用和工艺等关键技术。在研究和制造过程中，开发了50多种新材料，在工程中应用了110多种新技术。YF-100发动机的测试时间超过57000秒，在长征五号首飞前，一台发动机的累计测试时间超过2000秒。

       YF-115是一种无毒、高性能、高可靠性的液氧煤油发动机。采用分级燃烧循环和外启动方案，使其能够快速启动两次，并可以在较低的进气压力下工作。

       YF-77是一种燃气发生器循环液氢液氧火箭发动机，它是长征五号一级的发动机。在研究过程中，我们开发和完善了稳燃、高压大型燃烧室冷却、高性能高功率多级氢涡轮泵技术、高性能稳燃喷油器、大热流推力室冷却等43项关键技术。在长征五号首飞之前，YF-77已经进行了38000秒的测试，其中有一台测试发动机进行了15次启动。

       YF-75D液氢液氧火箭发动机用于长征五号的二级。发动机采用闭式膨胀循环，比冲在国内是最高的。通过去掉燃气发生器及其它部件，大大简化了系统，提高了YF-75D的可靠性。在YF-75D的研制过程中，成功地攻克了高空再启动技术、闭式膨胀机循环系统设计、推力室散热及燃料膨胀等技术的难关。

我国未来液体火箭发动机的发展：

①YF-100K

       YF-100是近年来不断改进和完善的，通过开发和应用泵后摆推力矢量调节、高压大流量涡轮泵减振、机电伺服流量调节器及控制技术等，特别是泵后摆推力矢量调节，推力与质量之比增加了15%。此外，在多发并联的情况下，可以减小发动机的摇摆空间，使直径为5m的运载火箭在并联结构中可以容纳7发发动机（这里暗指921运载火箭）。海平面推力增加至1250kN，海平面比冲增加至302s。修改项目于2016年启动。2017年5月，第一台发动机成功测试了50秒。目前已成功通过11项测试，累计运行3600秒。

②4800KN级液氧煤油发动机【YF-130】

随着载人航天、探月工程、大规模深空探测、人类登月和空间站等工程的推进，研制重型运载火箭势在必行。按照设想，重型运载火箭的助推器和一级将采用4800KN的液氧煤油火箭发动机（YF-130），二级将采用2200KN的分级燃烧液氢液氧发动机（YF-90），上面级将采用250千牛的闭式膨胀循环液氢液氧发动机（YF-79）。

中国从2010年开始大推力液氧/煤油发动机的初样机研发。2016年8月，预燃室和涡轮泵在70%的计划工况下成功进行了6秒的联合热试验。目前已完成3次预燃室和涡轮泵联合试验。2019年6月，第一台整机样机问世。

其中有大量的关键技术有待研究，如逐级起动技术、大推力液氧煤油发动机推力矢量调节、高压、高性能、大流量燃烧组件、大功率高性能涡轮泵、高压大流量调节器、低温阀门、热试验、健康管理、运行维护、对机械和热环境的适应性等。

③2000KN液氢液氧发动机【YF-90】

2000KN液氢液氧发动机设计真空比冲453s，将用于重型运载火箭的二级。从我国液氢液氧发动机的发展历史可以看出，其技术路线是从燃气发生器循环到膨胀循环，再到更先进的分级燃烧循环，其发展趋势是更高的推力、更高的比冲、更先进的循环类型。

对于2000KN液氢液氧级燃循环发动机来说，其关键技术包括启停过程控制技术、大范围推力调节、高压氢氧涡轮泵、长寿命推力室本体散热导热、超大型高性能喷管延伸、新材料与制造等。

缩比预燃器进行了10次试验，缩比燃烧室和推力室在2018年进行了6次试验。2019年6月，对全尺寸预燃室进行了4次热试车，标志着我国大流量预燃器技术取得突破。同时，对氢氧涡轮泵和预增压涡轮泵在液氮供给下进行了试验。

④新一代液氧甲烷发动机

从20世纪80年代开始，我国开始研究液氧和碳氢（如煤油、甲烷）火箭发动机技术，拿到了了煤油和甲烷的性能数据。从2005年开始，对液氧/甲烷火箭发动机的关键技术进行了研究。在随后的十年中，对液氧甲烷发动机的燃气发生器和燃烧室进行了多次测试。同时，研制了基于液氢液氧技术的液氧甲烷火箭发动机，并对一台600KN的液氢液氧发动机进行了试验。

近年来，液氧甲烷发动机越来越受到人们的关注，美国商业航天公司相继研制出Raptor和BE-4液氧甲烷发动机。而中国正在研制2000KN液氧甲烷发动机，将作为新一代运输系统的主要动力装置，可重复使用50次以上。与此同时，中国商业航天公司也将研发重点放在液氧甲烷发动机上，其中800KN的天鹊12和150KN的焦点1号液氧甲烷发动机均通过了点火试车测试。

总结

根据近期、中长期发展规划，我国航天正进入密集发射期。我国液体火箭发动机技术的发展遵循“一代在用、一代待命、一代在研”的规律。面对新的挑战，我国液体主泵和动力的发展具有以下特点。

1、在不久的将来，常温推进剂运载火箭将继续承担重大的发射任务，因此加强质量管控体系对保证发动机的质量和稳定性具有十分重要的意义。

2、新一代运载火箭将发挥更重要的作用。在发动机性能优化的同时，应不断提高发动机的可靠性和适应性。

3、4800KN液氧煤油发动机和2000KN液氢液氧发动机正在研制中，它们将成为未来重型运载火箭的主要动力系统。4800KN液氧煤油发动机已经成功地进行了若干次组合涡轮泵预燃室试验。

4、液氧甲烷发动机因其可重复使用的潜在优势和制备方便而成为研究的热点，这可能支持火星探测和未来的太空飞行等任务。