氢氧火箭发动机

随着时代的不断发展，航天任务中火箭所运载的有效载荷质量不断增大，为了在国际航天发射市场激烈的竞争中取得一席之地，各国除了对现有型号的火箭进行改进外，都在不遗余力地积极研制新型运载火箭及其动力装置，以实现提高运载能力、降低运载成本、增加可靠性和适应任务能力的目标，此时，以液氧、液氢为动力燃料的火箭发动机应运而生，由于其高性能无污染等特点，无论在一次使用型运载火箭或未来的可重复使用的单级入轨运载器上都占有极其重要的地位，对氢氧火箭发动机进行全新开发和不断改进提高，己成为各国航天技术发展的必由之路。

氢氧火箭发动机是运载火箭最为关键的分系统之一，掌握氢氧发动机技术是一个国家成为航天强国的标志之一。研制大推力氢氧发动机也是国内外液体火箭发动机技术的发展趋势。在过去的几十年中，美国、苏联（俄罗斯）、欧洲及日本等陆续研制出 J-2、SSME、RD-0120、Vulcain、LE-7以及 RS-68 等推力在 100~300 kN 之间的氢氧火箭发动机，用于运载火箭的芯一级和芯二级，大幅提高了运载火箭的运载能力，有力地促进了其航天活动的规模和范围。

RS-68氢氧火箭发动机

美制德尔塔IV级重型运载火箭助推器的发动机为RS-68

难点

如上文所说，研发氢氧火箭发动机是大势所趋，世界各国都投入了大量人力物力对其进行开发，但是氢氧火箭发动机的研制和使用同样有着非常多的困难（2017年长征五号火箭发射失败就是由于芯一级的氢氧发动机一分机涡轮的排气装置在复杂的热力环境下出现异常导致的）。

氢氧火箭发动机试车现场

氢氧火箭发动机的研制不同于常规发动机主要的原因就在于其使用的燃料——液氧和液氢。液氧和液氢这两种工质沸点差距较大（分别为-182℃和-252℃），因此无法共底储存，需单独设置燃料箱，相比于既便宜又可以常温存储的煤油，液氢密度只有其1/12，所占体积很大，因此需要更大的存储空间，这不仅会增加箭体重量，还将对箭体结构强度设计提出更高的要求。高压低温的储存环境同时会引起存储器件耐受度，工质输运，流量控制，喷注气化等一系列的问题。

长征五号B首次发射现场

由于液氢的沸点接近绝对零度（-273℃），在这个温度下，绝大多数材料都会变得很脆弱，如何在保证强度的前提下又耐得住如此低温，这也是火箭储存容器的又一难点。而火箭发射时，氢气在混合着氧气燃烧，所产生的温度高达3300℃，因此发动机的各个结构还需要耐得住高温（尤其是燃料泵涡轮，其一面接触液氢一面接触高温燃气，温差巨大，因此对涡轮材料面对大温差时力学性能的要求非常高）。同时，不仅火箭外部需要抵御温差的剧变，火箭内部也同样需要考虑这个问题，如果内部温度隔离没有做好，冰点只有-219℃的液氧便会被液氢冻住，导致严重事故。

火箭燃料的存储大都是是保温而不是制冷，例如使用保温涂层，但在火箭发射时其温度势必会升高，使得推进剂蒸发，因此就不能封闭燃料储存舱、需要漏气泄压。而液氢、液氧如果加热沸腾，也会伤害到发动机，因此火箭的液氢、液氧推进剂往往是距离起飞前很短一段时间才加注的。但是，既然燃料仓不是完全密封的，就有可能由于推进剂的低温使得空气冷凝，最终堵塞管道，甚至因冰晶撞击而导致爆炸，是非常危险的。

任重而道远

目前我国对于氢氧火箭发动机的研发已经有了巨大的进步，但是与国外相比仍然存在一定的差距，首先，我国氢氧火箭发动机推力偏小，目前国内最大的氢氧发动机真空推力为70t，不仅与美俄两国200～300t推力的发动机相距甚远，与欧洲、日本的百吨级氢氧发动机也有不小的差距；

其次，发动机性能偏低，国内氢氧火箭发动机比冲未超过455s，与国外最高水平相差进20s，推重比基本在40～50，与国外大约相差10～20，这主要是由于目前我国尚未掌握发动机补燃循环技术，而即使是同种循环方式的氢氧发动机，我国在设计和材料工艺水平等方面也与国外有一定差距，最终导致比冲和推重比水平偏低；

再次，火箭发动机功能单一。国内氢氧发动机至今尚未掌握火炬点火和大范围推力调节技术，使得氢氧发动机在各类航天运载器中的应用受到一定限制；最后，研制周期长。国内几型氢氧发动机的研制普遍耗时较长，这与我国的工业技术基础以及研究条件建设通常落后于工程研制需求有一定关系。

氢氧火箭发动机系统简图

结论

从技术发展规律看，氢氧火箭发动机研制难度大，投入多，周期长，时间和经费上都不允许出现重大的反复，大推力氢氧火箭发动机是我国由航天大国向航天强国迈进的重要标志之一，对我国提升进入太空的能力有着重大意义，更是我国日后载人登月工程和深空探测项目能够顺利实施的必要条件。近年来我国的航天项目越发频繁，对大推力火箭发动机的需求更是与日俱增，嫦娥奔月、胖五飞天、北斗组网、天宫落成……这一切的背后，都是对大推力氢氧火箭发动机技术的一次又一次的突破，更离不开无数个共和国航天人日以继夜地不懈奋斗。

胖五飞天，剑指星辰