“胖五”发动机研制背后（胖五的发动机）的介绍

突破“卡脖子”，“胖五”发动机研制遇到了多少困难？

胖五发动机在试制的时候曾经四次爆炸“胖五”发动机研制背后，说明发动机的当时遇到“胖五”发动机研制背后了受到客观条件影响设计不合理“胖五”发动机研制背后，设计不过关的问题。

[img]

“胖五”的“心脏”真的有问题吗？

运载火箭是十分复杂“胖五”发动机研制背后的系统工程，科研人员在其研制和发射阶段可谓“如临深渊，如履薄冰”，可纵然如此，仍难以完美解决所有的细小问题。自人类向太空迈进以来，各国火箭发射特别是重型运载火箭发射失误的案例屡见不鲜。

7月2日，备受关注的“胖五”发射失利。对此，习惯“胖五”发动机研制背后了我国航天发射高成功率的网友们表现出了足够的理解和宽容，热心的小伙伴们还对失利原因做了分析，不少人都把锅甩给了“胖五”的“心脏”（即发动机）。

“胖五”发射升空（图片来源“胖五”发动机研制背后：Reuters）

作为长征火箭家族里最威武的套马汉子，“胖五”的“心脏”真的有问题吗？当然，这只是目前的一种猜测，并无十足的证据。不过，由于火箭的“心脏”通常在航天发展中占有举足轻重的作用，在官方正式公布调查结果之前，我们还是不妨先来了解下自家的“胖五”及别人家“孩子”的身体状况。

回望——我们的“心脏”技术啥水平？

我们知道，飞机往往只在大气层内玩耍，而火箭的活动范围则跨越了大气层内外，因此，飞机只需带上燃料便可来一场说走就走的旅行，火箭则还要携带氧化剂。根据推进剂（包括燃料和氧化剂）的不同，常见的火箭发动机一般可分为固体火箭发动机和液体火箭发动机。和固体发动机相比，液体发动机结构非常复杂，发射前的准备工作也异常繁琐，但由于其具有工作时间长、比冲大、推力易于控制、可重复启动等优点，因而被世界各国运载火箭广泛采用，我国自然也不例外。

液体火箭发动机燃烧过程示意图（图片来源“胖五”发动机研制背后：中国航天报）

我国从1956年开始研制现代火箭，其中运载火箭肇自上世纪60年代研制的“长征一号”。当时，为了节省研究经费、缩短研制周期，以使“东方红一号”卫星尽快畅游太空，人们决定采用“东风四号”导弹的一、二级与控制系统作为蓝本，增加固体第三级，对“长一”进行研制。“长一”的第一级安装了4台YF-1液体发动机，以偏二甲肼作燃料、硝酸作氧化剂，每台地面推力为255千牛；第二级的YF-3液体发动机由YF-1改进而来，采用相同的推进剂，地面推力达290千牛。1970年4月24日，“长一”护送“东方红一号”卫星进入预定轨道，从此奠定了我国运载火箭的基础。世人往往只看到“长一”光鲜成功的一面，殊不知一穷二白的初学者总是要交学费的，在研制“东风四号”的六年半间，四次发射有一半都是失败的。

“长征一号”奠定了我国运载火箭的基础（图片来源：腾讯网）

YF-1发动机（图片来源：）

此后，我国又基于“长一”成功研制了“长二”。它共有两级，均用偏二甲肼作燃料、四氧化二氮作氧化剂，一级安装了4台YF-20发动机，总推力为2940千牛，二级则采用推力分别为735千牛和46千牛的大、小发动机各一台。在此基础上，我国又成功研制出捆绑火箭“长二捆”、“长二F”和“长二F改”，后二位可称得上是明星级劳模，从“神舟一号”到“神舟十一号”飞船，全是它们不辞劳苦送上天的。后来研制的三级火箭“长三”、“长四”都与“长二”一脉相承，由于发动机技术较为成熟，它们的发射成功率一直在世界上名列前茅。

长二F（网络图）

YF-20发动机（图片来源：）

一个甲子，长征火箭家族实现了从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从发射卫星到发射载人飞船的巨大发展，虽说与美、俄等航天强国仍有较大差距，但作为后发国家，我们仍然用远低于美国的成本，成功建立了较完备的运载火箭系统。这期间，火箭发动机技术虽有改进，但一直沿用相似的技术，细心的小伙伴一定注意到，从“长一”到“长四”，使用的燃料均为偏二甲肼，而氧化剂有硝酸、四氧化二氮。这些物质被称为常规推进剂，具有能够自燃等优点，可以方便地长期保存在地面和天上。

不过，既然说其“常规”，就一定有不令人满意之处。常规推进剂具有很强的腐蚀性，一旦火箭错过发射窗口，就不得不更换箭体。此外，常规推进剂还伴有毒性，1990年，在一次抢修“长二捆”的过程中，就曾发生过四氧化二氮泄漏导致十余名科研人员中毒伤亡的惨痛案例。当然，除了腐蚀性与毒性，常规推进剂最致命的弱点便是比冲小，运载能力低，难以帮助我们从近地迈向深空。

由于常规推进剂具有毒性，工作人员在检查火箭加注设备时必须全副武装（图片来源：新华网）

时代在召唤新一代高性能火箭，于是我们的“胖五”带着它的“大心脏”登场了。

知己——“胖五”的“心脏”是啥样？

“长征五号”的绰号有很多，除了“胖五”，它还被称作“冰箭”。“胖”展现了它的体形，而“冰”则是指它的“心脏”了。

“胖五”采用的是低温发动机，即一种使用低温推进剂的液体火箭发动机。所谓低温，指的是在大气压下，由于推进剂的沸点低于环境温度，推进剂必须在环境温度以下才可保持液体状态。液氧由于价格低、来源广，是世界上应用最广泛的液体火箭发动机氧化剂，“胖五”的芯级和助推器中用的都是它（温度达零下183℃）。不过在燃料方面，“胖五”的芯级用的是液氢（温度达零下252℃），助推器用的则是煤油。总体上看，低温推进剂不但无毒、无污染，而且比冲也得到了很大提高。

燃烧剂和氧化剂比冲量表（图片来源：中国航天科技集团公司官网）

从上图可以看出，氢氧的组合是性能最高的化学推进剂，并且由于其燃烧稳定性好，因此是液体火箭的最佳选择之一。不过，因为氢的密度很低，贮箱必须做得较大，“长五”也就成了“胖五”了。一般而言，氢氧发动机适合用在火箭的二级与上面级，而我们的“胖五”不仅芯二级采用了两台YF-75D氢氧发动机，芯一级也安装了两台YF-77氢氧发动机。YF-75D发动机由“长三”的YF-75发动机改进而来，地面推力约90千牛，YF-77则是我国第一台地面点火启动的大推力氢氧发动机，地面推力约500千牛，在发动机的设计、生产和试验技术领域都做了大量创新。

YF-77发动机（图片来源见水印）

可是，大块头的“胖五”起飞重量足足接近900吨，单纯靠芯级的发动机起飞未免有些强人所难。实际上，“胖五”起飞的主要动力并不来自于芯一级，而是来自于助推器。“胖五”的芯一级周围捆绑了四个助推器，每个助推器都装有两台YF-100液氧煤油发动机，每台发动机的地面推力达1200千牛，推力比长征火箭家族以前所用的发动机提高了60%以上，这无疑是个巨大的跨越。

YF-100发动机（图片来源：新浪网）

然而，性能上的大幅提高，往往表明发动机需要在更加恶劣的条件下工作。比如，在发动机刚启动后，不到一秒之内，涡轮泵便需从静止加速到数万转每秒，温度顷刻间从室温上升到几千度，这都对发动机的设计、材料、工艺等环节提出了严苛的要求。实际上，“胖五”的发动机在研发阶段就出现过多次整机试车失败的情况，与其他国家的同类型火箭相比，它去年首秀便获得成功，已经殊为不易。

知彼——别人家的“孩子”怎么样？

纵向来看，“胖五”的横空出世，对于我国航天事业发展无疑是个巨大的进步。如果横向看，它与传说中的别人家的“孩子”相比，又是什么水平呢？

美、俄等国很早就开展了液体火箭发动机的研究。早在上世纪20年代，美国科学家戈达德（Robert Goddard）便制造出了世界第一台液体火箭发动机，他当时采用的是汽油和液氧作推进剂。二战后，美、苏两国相互竞争，研制出多种型号的常规推进剂火箭。自上世纪70年代后，两国便相继推出了高性能、大推力的液体火箭发动机，苏联以液氧煤油发动机为主，美国则是液氧液氢发动机。

戈达德与第一枚液体火箭（图片来源：）

我们不妨看看与“胖五”同属于重型火箭的“德尔塔四号”。和“胖五”在我国运载火箭中的地位一样，“德尔塔四号”重型火箭也是美国现役火箭中最强壮的，起飞重量达733吨。它还有个特殊的身份：世界上唯一的全氢氧发动机火箭，也就是说它的芯一级、芯二级及助推器全部采用氢氧推进剂。其芯一级仅安装一台RS-68A发动机，但推力却可以达到3140千牛，远超“胖五”所用的发动机。芯一级周围捆绑的两个助推器，也分别安装了一台RS-68A发动机，芯二级则装有一台推力为110千牛的RL10-B-2发动机。

美国的“德尔塔四号”火箭（图片来源：wikipedia）

试车中的RS-68A发动机（图片来源：）

不难看出，即使是我们最先进的“胖五”，在发动机技术水平上，也与美、俄等国存在不小差距。为了弥补单台发动机推力不足的问题，我们不得不在芯一级和助推器并联10台发动机，如此一来，任何一个小细节考虑不周，都可能带来失败。可必须指出，我们在技术积累薄弱、研制时间短、研制成本非常低的情况下，仍然采用数十种新材料、一百多种新工艺，解决了“胖五”发动机中的冷却、高速旋转机械动力学、不稳定燃烧等诸多难题，大幅提高了我国运载火箭的实力，成功走出了一条符合国情的航天发展之路。

随着我国航天技术的升级，面临的技术难度也越来越大，偶有失利是十分正常的现象，我们在上世纪也是经历了多次失败，才有了享誉世界的长征系列火箭。“成功是差一点点的失败，失败是差一点点的成功”，我们有理由相信，吃苦耐劳的航天人必将会查出“胖五”失利的症结，解决每一个问题。我们的征途，依旧是星辰大海。

我们的征途，依旧是星辰大海（图片来源：漫画《那年那兔那些事》）

参考文献：

[1] 谭永华. 航天推进技术[M]. 北京:中国宇航出版社, 2016.

[2] 陈闽慷,茹家欣. 神箭凌霄: 长征系列火箭的发展历程[M]. 上海:上海科技教育出版社, 2007.

[3] G.P.萨顿, O.比布拉兹. 火箭发动机基础[M]. 洪鑫,张宝炯,等译. 北京:科学出版社, 2003.

[4] 徐菁. 我国液体火箭发动机发展之路[J]. 中国航天, 2017, (2): 6-8.

[5] 冉隆燧. 航天工程设计实践[M]. 北京:中国宇航出版社, 2013.

[6] 曲胜. 氢能在航天领域的应用[C].//中国工业气体工业协会第十二次会员代表大会暨2002年年会论文集. 2002: 213-218.

[7] 中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会. 运载火箭推进系统[M]. 北京:国防工业出版社, 2002.

[8] 郑大勇,王维彬,乔桂玉. 新一代运载火箭50吨级氢氧发动机研制进展[J]. 导弹与航天运载技术, 2016, (5): 11-15,22.

[9] 蒋建科. 新一代大推力发动机点火成功中国火箭获得新动力[J]. 中国航天, 2012, (12): 11-12.

[10] 邱晨辉. 长征五号发动机是怎样炼成的[N]. 中国青年报, 2016-11-08 (11).

[11] .

[12] .

发动机1年4爆，“胖五”火箭发动机研制背后，经历了哪些磨难？

消息推送问天实验舱的长征五号B火箭弹发动机“胖五”发动机研制背后，关键担负在中国太空站舱段消息推送每日每日任务，它也是在中国近地轨道运输水平最大的火箭发动机。它强大的动力来源便是发动机，发动机是火箭的“心脑血管病”，是火箭炮科技含量比较大、难度系数最大的预制构件之一。长五火箭发动机选用液氢液氧及其液氧汽油做为然料，那也是如今的社会航天发射的主流专业能力，也是一个在我国变成航天强国的标志之一。

航天科技集团六院西发企业型号规格系列产品总工艺工程师张和平：这便是长征五号使用的发动机，长征五号一同使用了八台120吨液氧汽油发动机。这一上边有许多新型材料，典型的就是说在点燃一部分用的是耐热合金。

火箭炮发动机打火后，最高温度确保3000℃，在这样的髙压持续高温富氧环境下，一般原材料一瞬间就会被烧制一堆废弃物，在实施综合性减温防范措施后，耐热合金却依然能够持续保持。2000年，在我国发布项目备案，液氧汽油发动机进到工程项目研制，最开始解决的便是新产品开发耐热合金。肩负技术的主管单位从业材料研发运用有几十年的工作经验，信心满满，但是她们研发的叶盘刚进试运行台几秒钟，大家就傻眼了。

中国钢研科技集团高纳企业科技委办公室负责人赵光普：最开始试运行的时候，因为对工艺参数也不掌握，我们也心里没底，因此试的时候只需工艺参数稍不正确一些，那原材料两三秒钟如同虞姬拜月一样就没了。

中国钢研科技集团特殊钢材研究所副局苏杰：我们曾经遇到过一样的原材料、同样的火炉，前后左右炼了两炉，有一炉达标，有一炉也未达标，因此可以看出它加工工艺弹出框的确窄小。

猝不及防的不成功让大家高涨的热情一瞬间降至零度，海外权威专家甚至说，即使大伙儿中国人可以把液氧汽油发动机设计方案出去，也无法生产制造出去。海外权威专家得话并不是没有理由，做为主任设计师的葛李虎跟同事很有可能，发动机需要的新型材料达30各种各样。

跟火箭炮发动机打一辈子交道了了的葛李虎是一个用心，这一本本有一些发旧的记录本，记录了葛李虎30很多年里在火箭炮发动机研制过程中遇到的所有问题，这120个记录本，也成为解决问题一把钥匙。

曾任航天科技集团六院十一所液氧汽油发动机主任设计师葛李虎：这件事情如何讨论的，这个是谁怎么发言的，末尾怎样解决的，工厂有什么问题，不必室内设计师去到工厂去处理，你说一个建议，我讲行，那你觉得不太好，这样的话称之为分歧，你清楚吗“胖五”发动机研制背后？

中国钢研科技集团高纳企业科技委办公室负责人赵光普：大伙儿都叫他（葛李虎）拼命三郎，三更半夜给大家通电话，礼拜六礼拜天通电话，这类全身心地投到航空航天里边的精神实质特别是在感柒大伙儿。

耐热合金要以铁、镍、钴为基础，再加上很多别的铝合金型材采矿厂成的。研制卓越领导力专门做了点燃起火的装置，根据不断调整配方的成分，在2年里做了上无数次实验，从一开始的小炉研制，到进一步扩大试生产，总算研制出抗髙压持续高温的耐热合金。

并没从国外进口一克原材料，在中国研制的耐热合金特性水准超越了海外一样种类铝合金型材，现在这种铝合金型材早已各自用于国际航空公司发动机、液氧汽油发动机、液氢液氧发动机等国家重大工程项目。根据液氧汽油发动机研制，还牵引绳了高强度不锈钢等50多种多样新型材料的创新，填补了在中国这些材料研究的空缺。

发动机1年4爆！揭秘“胖五”发动机研制，背后经历了什么？

针对发动机而言，攻破了材料的困难，仅仅长征走完了第一步。下面每一步都极其艰辛，这是一次发动机试车的画面，刚研发完成的发动机，在试车台子上一点火就爆炸了。在液氧汽油发动机研发的初期，包含这种发生爆炸，不成功连续出现了四次。

2001年，针对液氧汽油发动机的研发精英团队来说是最艰难的一年。这一年，作出了四次整个设备试车，均未取得成功，在其中还连续两次出现了发生爆炸，这在中国航空航天的历史上也是绝无仅有的。

曾任航天科技集团六院十一所液氧汽油发动机主任设计师葛李虎：零点几秒钟所有炸完，炸完了以后，连一个中间的零件“尸体”都找不到，不清楚到哪里去了。没有了，烧完后，所以对大家实验的分析工作中带来了很大的艰难。由于你寻找“尸体”之后，看一下哪一个摩（擦）痕（迹），哪个地方碰的，哪个地方撞的，这也是能够研究出去。连“尸体”都找不着了，你剖析啥。

接二连三的不成功，对研发精英团队而言，相当于一次次的毁灭性，一次试车成本上百万元，更为重要试车失败，新一代火箭的研发就无从说起。应对心灰意冷的精英团队，工作压力最大的主任设计师葛李虎给大家加油打气鼓励。

曾任航天科技集团六院十一所液氧汽油发动机主任设计师葛李虎：失败是一定会失败的，百分之一百的失败，并没有不成功，不可能有一个新型号。

难题暴露出，但是寻找处理问题的核心却哪里简易，应对成百上千的零部件，怎样才能使发动机稳定顺利地启动呢？研发精英团队重振旗鼓，从发生爆炸残片中剖析故障原因。一个闸阀问题的实验，她们连续做了100数次，白天做实验，晚上就数据分析、安装商品，最长的一次，300人们在工厂住了整整的3个月。通过近一年的探索，总算看见了希望的曙光。

航天科技集团六院液氧汽油发动机副总经理室内设计师陈建华：发动机在2002年一次试车中，试车时长仅仅只有5秒左右，迅速就过去了，当时我就在现场。那么这一次试车的成功就意味着大家国家对于液氧汽油发动机启动技术性的掌握，如今回忆起来或是记忆力犹新。

2006年，液氧汽油发动机作出了600秒程增强试车，获得成功。2016年，液氧汽油发动机在长征五号试飞任务中取得成功。下面，它还在我国首次火星检测每日任务、嫦娥五号、太空站天和核心舱的释放中发挥着重要意义，每一次动力装置的表现都近乎完美。

航天科技集团六院副院长马双民：根据发动机的研发，也完全掌握了髙压液氧汽油发动机的全套的技术性，研制出了我们具备彻底自主知识产权的大型火箭弹发动机，支撑点了我们火箭发动机动力的升级换代。

300人曾在厂里住了3个月，“胖五”发动机研制背后有多少人的心血？

现实生活当中从事科研这一行业的人员都是非常辛苦的，甚至经常性的不能和家人见面，每天还需要高强度、高压力的工作。据网上爆料，为了“胖五”发动机能够研制成功，300人曾在厂里住了3个月，足以证明背后付出了很多人的心血。如果不是这些人员的出现，那么发动机不可能研制成功，而且科研人员每天都要对比数据，也要进行试验。

长征五号火箭是近地轨道运载能力最大的运载火箭，所以发动机是重中之重，可以说是起到“心脏”的作用。然而发动机是技术含量超高、难度超大的一个部件，更是马虎不得。另外科研人员为了发动机的材料也是做了很多试验，毕竟在发射的过程当中肯定要耐高温，所以选择了高温合金。研发出来的东西试用时，就出现碎成渣渣的画面，所以为了能够让发动机圆满完成，300个人在工厂里连续住了三个月，不眠不休的去制造。

而且这种发动机对于准确率是要非常高的，如果工艺参数没有掌握精准的话，很容易导致大家的心血白费。另外长时间在一个失败的环境之下，是会影响到大家的心理，因此也是在失败当中进行成长，重燃斗志，最终踏上了新的研究之路。要知道发动机光是材料，就花费了很大的功夫，更别说其他的方面了。

所以科研人员是值得大家敬畏的，如果没有这些科研人员的努力付出，那么国家就不可能有这样的成就。而且小编认为科研人员就是大家的榜样，因为科研人员不害怕失败，即使失败了，也会重拾希望继续去研发。另外科研人员加班是一件常见的事情，所以也希望大家能够对科研人员更加尊重一些，同时也要表达自己的感谢。

研制初期曾连续四次爆炸，“胖五”发动机研制成功说明中国科技怎样的水平？

“胖五”在研制成功之前发生过四次爆炸，终于将“胖五”发动机研制成功，而这个发动机就是帮助问天实验舱搭载的长征五号B遥运载火箭成功升空的，因为研制难度比较大，所以在研制初期经过了四次爆炸，而正是这些失败的案例，才造就了中国在航天领域的发射技术，能够将“胖五”发动机研制成功就说明中国在航天领域的科技已经居于世界前列，中国已经成为科技发展国。

为了研制出“胖五”发电机，中国在这方面的科学家曾在厂里连住三个月，因为“问天”实验舱的成功发射关系到我国太空站的重要研究任务，所以在研制起发动机时就要格外注意，因为发动机是长征五号B遥火箭的“心脏”，而这项技术我国科学家经历了20余年，成功看到“问天”实验舱搭载长征五号B遥运载火箭飞向太空，并与神舟五号飞船对接。

研究“胖五”发动机的科学家也表示，这项技术对于我国来说并不是非常成熟，是经历过多种设计方案才能去制造的，而且研究“胖五”发动机主设计师也表示研制这种发动机需要的材料超30种，研制时期出现的问题也比较多，而能够研制成功并成功帮助长征五号B遥火箭发射，是科学家们经历过多项研究总结出来的。

胖虎发动机作为长征五号B遥运载火箭的“心脏”直接关系到“问天”实验舱能否成功飞向太空，在自己的运行轨迹上与长征五号对接，关系到我国太空站的完善和宇航员对于太空的研究问题，航天精神一直是我国伟大精神的一部分，央视新闻也对胖五发动机进行了揭秘，表示“胖五”发动机在研制期间经常遭遇“卡脖子”而科学家们不怕失败，不断尝试突破“卡脖子”，并终于将“胖五”发动机研制成功。