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作者squirrel

我在以前的博客文章里，提到过现有长征火箭的落后，这是个很尴尬但却是冷冰冰的现实。航天工业和其他的工业部门不同，即使在技术最发达的美国，也从来没有形成依靠自身造血的良性循环，世界各国航天工业都靠政府的大规模投资维持。人穷志短，我国曾经有过国防投资大幅削减的历史，巧妇难为无米之炊，也自然难以希翼航天工业在技术上如何先进。不客气的说，我们的火箭技术和主要航天强国差了一代，当然，如果航天列强算上印度，那倒是有个做伴的。
这其中，主要是发动机的落后，长征火箭的发动机，来自于东风5号的YF-20及其变种，航天一院现在给了很多花哨的名字，DaFY5-1，DaFY6-2，DaFY20-1，其实都是一个的马甲及其组合，作为1960年代开发的发动机，在那个时代，对比欧洲和日本，都不算落后，不过现在看起来，就很差了。航天一院在长三乙http://www.calt.com/zycp/yzhj /200703181313154a301a.asp的官方页面中，提到了比冲，海平面比冲2556.2牛*秒/千克，真空比冲 2922.57牛*秒/千克，对比欧空局火神2的真空比冲4223牛*秒/千克或是日本宇宙开发机构LE-7A的真空比冲4312牛*秒/千克，实在性能天地之别。就以推力来说，740千牛(约折合75吨)的推力，对比即使是新一代发动机中推力偏弱的LE-7A或是火神2，也分别是1120KN和 1340KN，也差了很多。发动机比冲和推力落后，要想得到同样的运力，就要付出大得多的代价，运载火箭的性能也自然好不起来。

YF-100液氧煤油发动机

新一代的长征5号火箭立项时间是在2006年，和H-IIB相比也没早什么。长征5火箭的技术核心，是航天6院开发的新一代发动机YF-100和 YF-77。YF-100高压补燃液氧煤油发动机的技术可以追溯到苏联的RD-120，在1990年代引进了RD-120的技术上，通过逆向工程摸清了高压补燃发动机的设计原理，以此为基础，开发出了新的YF-100大推力高压补燃液氧煤油发动机。YF-100地面推力1199.19千牛，真空推力 1339.48千牛，真空比冲3286.2牛*秒/千克。对比国外的液氧煤油高压补燃发动机，如俄罗斯的NK-15/33，RD-120，RD-170 /171/180/191来说，算是很中规中矩的指标，比冲适中，推力其实也算不上大，但是对于第一次涉猎高压补燃发动机开发的中国来说，其实很难得了，毕竟是第二个开发高压补燃液氧煤油发动机的国家；

YF-77液氢液氧发动机

YF-77燃气发生器循环液氧液氢发动机则是独立开发的技术，由于我国材料机械基础工业落后和开发推力氢氧发动机固有的高难度，对比同类型发动机，YF-77发动机指标只能用惨不忍睹来形容。地面推力509.60千牛，真空推力699.52千牛，真空比冲4177.6牛*秒/千克，推力算起来只有火神2的一半略多，比冲略低，在对比两型发动机开发的年代，"大推力"三个字实在说不出口。不过敝帚自珍，对比以前只有78.5千牛真空推力的YF- 75发动机来说，也是一个很大的进步。

话说回来，发动机上仍然有很大差距是相对于美俄而言，对比欧空局和日本宇宙开发机构，在发动机上，我国已经赶了上来。如果一定要纠结于没有分级燃烧的氢氧发动机的话，把YF-100改为氢氧发动机并没有技术上的大障碍。我国第一型氢氧发动机YF-73，就是YF-23肼类发动机直接改为氢氧燃料的；分级燃烧循环的技术在YF-100已经有了工程验证，大推力氢氧机在YF-77上也有了工程验证，再有苏联人NK-33改用液氢燃料的先例，以YF-100为基础发展出一型比冲略低于推力相近于LE-7A的分级燃烧的氢氧发动机是轻而易举的事情。等到2013年最晚2014年，长征5号或是小型的长征6号首飞后，面对发动机上曾经落后于日本的历史终于可以释然了。

长征5号5米直径构型

长征5号的规划是采用模块化的设计，应对地球低轨道10~25吨，同步转移轨道6~14吨的运力需求，设计上是很不错的构型。对比老式长征火箭地球低轨道最大运力8吨多(长征3乙用于低轨道发射可以达到11.2吨，但是从来没有使用过)，同步转移轨道只有5.5吨的运载能力，长征5号有了本质的提高。对比其他航天列强的主力运载火箭，如美国EELV计划的Delta4和Atlas5，俄罗斯的Angara，欧空局的Ariane5，运载能力基本在伯仲之间，比之日本宇宙开发机构的H-IIA/B运载能力要高了50%左右。在运载能力上，长征5号出现后，我国再次回到航天列强的行列里，只留下日本和印度做伴了。

长征5号5米直径火箭总体参数

未来探月计划小三步绕落回中的第三布也就是自动采样返回探测器，未来的大型空间站20吨级核心舱段，未来类似美国KH-12锁眼的大口径高分辨率光学侦查卫星，都需要长征5号发射。长征5号服役后，我国也将拥有阿里安5(Ariane5)一样的一箭双星发射同步转移轨道通讯卫星的能力。一箭双星分离技术上难度不大，问题在于现代静止轨道通讯卫星重量都在3吨以上，一般都是4吨多甚至很多5吨重的，我国更新一代的东方红6通讯卫星，更是可能达到6吨以上重量，没有10吨以上的同步转移轨道GTO运载能力，无法实现通讯卫星的一箭双星发射。一箭双星能力意味着长征系列火箭商业竞争能力的增强，对于已经发射过 30颗国外卫星的长征系列火箭来说，在商业竞争上将如虎添翼。此外，面对登陆月球的热潮，我国火箭专家龙乐豪老先生本着节俭费用的原则，还提出过一次发射 3枚长征5号火箭，采用环月对接方式，进行短期载人登月探测的建议。从技术上看，这是一个很省钱的方案，不过中国航天人的梦想，远不止于蜻蜓点水的登一次月，当然这就是后话了。


长征5号火箭，在早期论证时，是5米直径，3.35米直径和2.25米直径三个档次，全面取代传统的长征2，3，4系列火箭，不过随着时间的推移，这种可 能性已经彻底排除了。尽管“通用化，组合化，系列化”的三化设计思想还在频频提到，但是工作重心是5米直径火箭，“根据需要”衍生出3.35米直径火箭和 小型运载火箭。

早期长征5号全系列规划

5米直径的长征5号火箭，地球低轨道LEO运载能力最低也有10吨，所以必然要求一型中等运力的火箭来匹配，否则大马拉小车就太浪费了。美国航空航天局现在使用Delta II火箭，未来将开发金牛座2/Taurus II火箭；欧空局用俄罗斯现成的联盟Soyuz火箭;日本宇宙开发机构则准备引进俄国RD-180发动机，开发新的G-X中型火箭；对于中国航天人来说， 原有的长征2，3，4号火箭都是这个区间的运力，弃用可惜，但是原来的发动机又过于陈旧。旧瓶装新酒，用老箭体和新型发动机派生出新型火箭就成了技术和经费进度上都合理的选择。新的发动机主要就是YF-100液氧煤油发动机，此外还为上面级专门开发了小型的YF-115液氧煤油发动机，推力在15吨左右。此外，在论证下一代动力推进系统时，我国航天部门明确表示全面弃用有毒的肼类燃料，面对轨道调资维持等多次启动需求，将用过氧化氢煤油的的自燃推进剂组合，替代四氧化二氮偏二甲肼的自燃组合。

根据中国载人航天网的报道的 报道，未来的载人和货运火箭将采用长征二号F/H型火箭，全面用新一代的YF-100发动机，替换原有的YF-20发动机。YF-100的比冲高得多，推 力尽管不是YF-20的2倍整，但是实际贡献的总冲量不相上下，1：2的替换恰到好处。长征二号F/H型火箭的载人发射型号近地轨道最大运载能力12.5 吨，无人货运型号则为13吨。比较下俄罗斯的联盟火箭，采用比冲更高的发动机，发射场纬度更低，可以发现长征二号F/H型火箭的运载能力是相当保守的估 计，实际运载能力要比载人航天网的数据高得多。不过根据对航天一院总设计师王国辉的报道：“新研制的“长征”七号，未来将替代目前的载人运载火箭“长征” 二号F。王国辉目前的主要工作，就是负责“长征”七号的总体设计。”，原有的长征二号F/H的编号估计已经弃用，现在的3.35米直径火箭，换装新发动机 后统一改称长征7号火箭，用于载人航天项目的后继发射。综合各方面消息判断，长征7号火箭将替换原有的长征2，3，4号火箭，在中型火箭范围内一统天下。 报道称长征7号将于2013年首飞，届时我国将开始彻底淘汰剧毒的肼类燃料，使用无毒无污染的液氧煤油与液氢液氧燃料。根据这种规划，长征2号C火箭的第一级4台YF-20发动机，将被2台YF-100发动机替换，第二级发动机很可能是单台YF-100高空型发动机。长征2号F载人运载火箭，芯级4台 YF-20替换为2台YF-100，2.25米直径助推器的单台YF-20换为单台YF-100，发动机比冲、起飞推力和起飞总重都有很大提高，有效运载能力也随之水涨船高，达到近地轨道至少13吨的水平；长征3号火箭芯级4台YF-20换为2台YF-100，2.25米直径助推器各用单台YF-100替换YF-20，第三级的YF-75液氢液氧发动机很可能初期留用，以后再被新的膨胀燃烧循环的YF-75D液氧液氧发动机取代。以上原有型号统一到长征7 号的旗帜下，通过采用新型发动机，火箭运载能力将有很大提高。

美国Delta II火箭

长征5号原始规划中2.25米直径的小型火箭，很有可能荡然无存，因为早在2005年的可行方案论证，就建议小型火箭直径从2.25米增加3.35米，以提高运力。中国航天报讯日前，国家有关部门正式批复长征六号运载火箭立项。同时，由中国航天科技集团公司八院承担的长征六号运载火箭的研制工作也正式启动。2008年7月间，中国航天科技集团公司就已经决定由航天八院开发长征6号运载火箭，作为原来小型运载火箭的实际方案。这对于开发了长征4号火箭的八院来说，运气实在太差，毕竟他们很早就想在新一代运载火箭上打个翻身仗，早就规划好了全液氧煤油的全系列运载火箭方案，最后收获的却只是小型运载火箭的实际项目。根据早期设计方案透露的性能细节，小型运载火箭，第一级直径从2.25米改为3.35米，但仍然采用单台YF-100发动机作为一子级主发动机，二子级直径3.35米采用单台YF-115发动机，三子级采用1千牛推力过氧化氢煤油发动机4台，700公里高度太阳同步轨道运载能力可达1.1吨。不过从另一方面来说，8院原来的长征4号火箭，也可能通过更换发动机，达到更大的运载能力，更新后合并到长征6号火箭里。对比美国的Delta II的升级历史，通过捆绑多个固体助推器，芯级只有单台海平面推力900KNRS-27A发动机，，却达到了6.1吨的近地轨道运载能力，这种历史对于长征6号的未来发展不无裨益。最近中国航天在固体助推器技术上展开了相当多的工程开发，1200KN固体助推器源自DF-31一级发动机，是很成熟的技术了。长征6号能否成为中国的Delta II，让我们拭目以待。




伟大的国家必然要有伟大的梦想，2009年6月10日，中科院发布中国2050年科技发展路线图，根据这份路线图，我国深空探测的规划相当的宏伟：2012年左右：实施第一次月球软着陆和巡视勘察；2014年左右：实施第二次月球软着陆和巡视勘察；2015年左右：实施环绕火星探测并中途探测小行星的多任务多目标探测工程；2017年左右：实现第一次月球采样返回；2018年左右：实现月球采样返回；2020年左右：发射行星科学实验室，开展行星就地探测；2025年左右：火星着陆探测和巡视探测；2030年左右：实施我国首次载人登月；2033年左右：实施第一次火星采样返回；2035年左右：实现木星以远的行星、卫星及小天体探测；2040年左右：建立首个短期有人值守的月球基地；2050年左右：实施首次载人登陆火星。

实现这些伟大的梦想，现有的长征2，3，4系列运载火箭是远远不够的，同步转移轨道最大5.5吨运力的长征3BE型火箭，实在无法承担起这么远大的任务，当然，负责月球软着陆探测器或是火星探测器的发射还是可行的，但是发射月球采样返回探测器，就力不从心了。将于2014年首次发射的长征5号运载火箭，用于月球采样返回探测器还可以，行星实验室也没问题，但是即使按龙乐豪老先生乐观的计算，也只能勉强维持短期登月而已，如要维持驻月基地，需要研制重型运载火箭，并进一步指出，重型运载火箭是实现快捷安全的载人登月和载人火星探测的必要条件，要求尽快对关键技术如500吨级液氧煤油发动机，8~10米直径箭体尽快进行预研。

可喜的是，在2007年航天推进技术发展目标中，明确指出2008~2009年的发展目标就包括这些内容：进行重型运载火箭（LEO100 吨）5000KN液氧/烃系统方案、1500kN 液氢液氧系统方案的概念研究和关键技术梳理；完成用于固体小运载器和中型固体助推器的1200kN推力的整体式固体发动机研制；开始3600kN、 5000kN大推力分段式固体助推器关键技术研究。我国对航天系统的资金投入逐年加大，也能满足开发这些大推力发动机的需要。根据2009年陆续出现的新闻，1200KN中型固体助推器已经初步完成开发，分段式固体助推器的分段式发动机技术开始取得突破，3600KN和5000KN大推力固体助推器正式亮相的时间已经不远了。1200KN只能配合中小运力的运载火箭，不过5000KN(则510地面推力)的固体助推器，就是用来为我国重型运载火箭提供固体动力选择的了。考虑到液体发动机开发的难度，未来登月，我们很可能先看到这些500吨级固体助推器的亮相，配合原有长征5号的构型，已经可以勉强应付早期简单登月的需求了。

从2009年相继出现在《宇航学报》、《航空动力学报》、《火箭推进》等专业刊物上的论文来看，5000KN的液氧/烃系统方案已经开始清晰起来，由于 YF-100高压补燃液氧煤油发动机开发的成功经验，西安的航天6院倾向于开发高压补燃液氧煤油发动机，加上近几年新建了500吨级大推力液体发动机的试车台，作为专门进行航天推进系统的研究院，未雨绸缪，开展大推力液氧煤油发动机正当其时。不过最近的论文显示，为了配合5米箭体的需要，发动机推力不得不降低到4000KN，如此才能在5米直径的火箭箭体内，安装两台4000KN高压补燃液氧煤油发动机。一开始，我对这种考虑觉得很荒谬，全新重型火箭何必拘泥于长征5号的5米箭体，中国航天人实在是穷怕了，拼命省钱。不过仔细想想这个决策也很合理，这种巨型火箭发射次数不会多，单独开发新的箭体，而不是和将来肯定频繁使用的长征5号系列火箭共用技术，从继承性上来说是败笔，从经费上说更是败家之举。何况单台4000KN还是5000KN推力，对于近地轨道 /LEO运载能力100吨以上，月球转移轨道/LTO运载能力也达到50吨以上的重型火箭来说，其实差别不大。我国的新型液氧煤油发动机，如果仅仅是 4000KN或是5000KN的单台推力，在重型火箭里并不突出。美国人的Saturn-V火箭用的F-1发动机，推力可达6770KN；苏联人的RD- 170/171发动机，更是达到了7400KN。不过F-1发动机没能采用更高效的高压补燃循环方式，比冲偏低，海平面比冲仅有2580牛*秒/千克，而 RD-171发动机，派生自RLA-1200发动机，由于无法实现300吨的单室稳定燃烧，所以只好单室推力降低到200吨左右，4燃烧室并联实现的大约 800吨推力。航天6院计划开发的大推力高压补燃液氧煤油发动机，在采用高性能的高压补燃循环方式，达到海平面2962牛*秒/千克比冲的同时，还将是史无前例的大推力单燃烧室发动机。大推力发动机稳定燃烧是世界级难题，美国人为了解决容易得多的F-1不稳定燃烧问题，花费了巨大的时间和精力财力，苏联人就没能解决大推力发动机不稳定燃烧问题，现在轮到中国人了。如果我们能够做成规划中的4000KN高压补燃液氧煤油发动机的话，那可以说达到了液体发动机的世界最高水平，根本不需要加上"之一"二字，解决400吨级单室不稳定燃烧问题，比之解决200吨级单室不燃烧，难度即使不是天地之别也差不多了。考虑到我国的2030年登月，并不迫切，更不用说实际还可能延迟几年，对于下一代政治领导人是根本看不到的目标，所以需求并不迫切。航天6院有充足的时间和精力进行4000KN高压补燃液氧煤油发动机的开发，不会如苏联或是美国人那样，重蹈忙中出错的覆辙，所以我对这一发动机的前景是非常看好的。用不了15 年，发动机进度的细节也该公开了，我们就可以自豪的说，中国人站在世界液体发动机水平的巅峰，而不是如现在这样面对YF-100和YF-77的技术指标档次不高而底气不足。

同样让人很感兴趣的是1500KN液氢液氧发动机，YF-77发动机地面推力仅仅是500KN级别的，当初开发它的航天1院不喜欢，后来接手的航天6院也不高兴，实在是技术指标太低的缘故，让开发者缺乏自豪感。1500KN液氢液氧发动机，则是后继的项目。目前没有什么足够的消息，细节一切都在云雾中，不过即使按最差的估计，和YF-77一样仅仅是燃气发生器循环的液氢液氧发动机，1500KN海平面推力，对应的真空推力将高达2100KN左右，这将是 15年后，世界上第二大的推力的液氢液氧发动机，仅次于美国的RS-68发动机，远远高于日本现有的LE-7A未来可能增加的LE-X，也远远高于欧空局的火神2发动机。考虑到欧空局可能开发以HTE项目为基础的2500KN分级燃烧液氢液氧发动机，日本早已有LE-7/LE-7A分级燃烧液氢液氧发动机，二中国航天的1500KN氢氧发动机没有迫切需要，这型1500KN液氢液氧发动机，很有可能使用分级燃烧循环方式，高指标慢慢开发。凑巧的是，1500KN地面推力的分级燃烧循环液氢液氧发动机，这个世界正好曾经有一个现成的型号，那就是苏联人的RD-0120，能源号火箭的芯级发动机。 YF-100师从RD-120，将来的1500KN 液氢液氧发动机YF-XX，师从RD-0120则是再正常不过的事情，问题在于俄罗斯人还残留了多少RD-0120的实际技术，事实上他们不仅可能失去了 RD-0120的生产能力，也可能失去了很多发动机的具体技术，，如果不是一无所有的，完好的或许只有文档了。如果为了显示“中国特色”的话，很有可能改用全流量分级燃烧循环(FFSC)方式，显著提高性能。如果能实现全流量分级燃烧循环的话，和实现大推力高压补燃发动机一样，将标志着中国航天在液氢液氧发动机技术上也达到了世界最高水平。我很期待这一幕呢，本来对发动机系统并不抱什么希望，但是航天6院的专门成立，还有4000KN高压补燃液氧煤油发动机的出现，实在给人太多的希望和联想。或许中国航天人并不缺少野心梦想与希望，而是过去缺钱无法实现而已。

2025年，按计划将是是否开展载人登月的关键时间节点了，那时4000KN液氧煤油发动机和1500KN的液氢液氧发动机也将彻底公布于众。至少按目前的论证，届时将会出现的重型火箭，简直就是苏联能源火箭的加强版本，芯级都是4台1500KN地面推力的液氢液氧发动机，助推器里都是高压补燃液氧煤油发动机，助推器推力都是800吨左右。但是，能源号是1980年代首次发射的，同样级别运载能力的土星5号更是1960年代首次发射，冷战的疯狂年代，美苏实在领先世界太远了。和能源号不同的是，我们的重型火箭还有第二级单台1500KN液氢液氧发动机，文昌发射场的纬度要低得多，因此运载能力要远远大于能源号火箭，更不同的是，作为苏联继承人的俄罗斯航天局，届时将没有能源号这个级别的重型火箭，事实上苏联解体后，俄罗斯人就失去了这个能力，或许是永远的。美中G2作为现在的谈资，到2030年前后，将是航天业真真切切的现实，他们将把欧空局，日本宇宙开发机构，俄罗斯航天局和印度航天机构彻底抛下，因为只有这两个国家有足够的财力和技术，维持强大的重型火箭和大规模的深空探测。