——长征五号运载火箭两型氢氧发动机研制记

11月3日20点43分，伴随着01号指挥员洪亮的“点火”“起飞”口令，长征五号运载火箭芯一级2台50吨级氢氧发动机与8台120吨级液氧煤油发动机同时点火。在震耳欲聋的轰鸣声和耀眼的光芒中，长征五号腾空而起，从中国文昌航天发射场奔向茫茫太空。

发射场指控中心大厅内，参试人员聚精会神，紧紧盯着屏幕上的火箭飞行状态和跟踪测量数据。“ 抛整流罩”“一二级分离”“芯二级二次点火”……最后，当任务圆满成功的消息传来时，热烈的掌声、兴奋的欢呼声响成一片。

这也意味着两型氢氧发动机首秀完美。自此，中国终于拥有了属于自己的、可与美俄一比高下的大推力运载火箭，迈出了进入航天强国的关键一步。

一：中国“芯”铸就新动力

大火箭离不开大推力，而大推力离不开发动机。作为中国运载火箭家族中的“巨无霸”，长征五号拥有一颗强大绿色环保的中国芯：三型两种新的火箭发动机——芯一级50吨级氢氧发动机、芯二级9吨级膨胀循环发动机和助推器120吨级液氧煤油发动机。

在长征五号发射中首次使用的芯一级和芯二级主动力装置两型氢氧发动机都是由中国航天科技集团公司六院北京11所负责研制的。

填补大推力氢氧发动机空白

性能优异、零碳排放的大推力氢氧火箭发动机是当今世界航天发动机发展的主流趋势。因此，掌握大推力氢氧火箭发动机技术也成为航天强国发展的必然要求。

北京11所的研制人员历经20多年的潜心攻关，突破了高压、大热流推力室热防护技术及高性能稳定燃烧氢氧喷注器技术等43项动力难题，研制出了高性能、高品质、绿色环保的50吨级氢氧发动机，推动了我国低温发动机研制能力的大幅跃升。

作为我国首个地面启动的芯一级大推力发动机，50吨级氢氧发动机由两台独立工作的单机通过机架并联构成，地面推力达100吨。它采用燃气发生器动力循环，地面一次启动。

以现役上面级氢氧发动机为参照，50吨级氢氧发动机真空推力是其9倍，推力室室压是其2.7倍，氢涡轮泵功率是其15倍，氧涡轮泵功率是其20倍，发动机外廓尺寸是其5倍。它将我国运载火箭的近地轨道运载能力从9吨提升至25吨级。

50吨级氢氧火箭发动机的另一个显著优点是采用液氢、液氧作为推进剂，燃烧产物是洁净度达99.99%的纯净水，具有绿色、环保、零碳排放的特点，因此长征五号运载火箭也被称为“绿色火箭”。

长征五号运载能力的大幅提升也得益于发动机采用氢氧推进剂的高能效。50吨级氢氧发动机采用零下253℃的液氢和零下183℃的液氧作为推进剂。其中，液氢是火箭化学推进剂中能量最高的燃料。

在超低温、高温、高压等苛刻工况下，该型发动机实现了各部件精准可靠运行，燃烧所获得的高空比冲比现有常规燃料发动机提高50%，成为当前已知推进效率最高的化学推进剂火箭发动机。

氢氧推进剂能效高、产生推力所需燃料少的特性，使运载火箭推进剂的重量大幅减少，这对提高火箭的运载能力至关重要。

最先进的火箭上面级发动机

伴随着长征五号首飞成功，我国新一代高性能上面级膨胀循环氢氧发动机登上了中国航天的历史舞台。膨胀循环发动机因其具有性能高、系统简单、容易实现推力和混合比调节，使用灵活、可靠性高的特点，已成为世界航天大国研制运载火箭上面级发动机的主流方案。

对于美国来说，膨胀循环发动机一直在运载火箭上面级动力中占据主导地位。欧、俄、日等国也纷纷加紧研制各自的上面级氢氧膨胀循环发动机。

作为长征五号芯二级主动力装置的9吨级膨胀循环氢氧发动机，可以通过多次启动技术助推火箭进入地球转移轨道，是国内工作时间最长的火箭主动力发动机。该发动机的首飞成功，标志着我国成为继美国之后第二个使用先进的闭式膨胀循环发动机的国家，实现了我国上面级氢氧发动机由开式循环到闭式循环的重大技术跨越。

区别于传统燃气发生器循环发动机和补燃发动机，9吨级膨胀循环氢氧发动机不存在燃气发生器以及预燃系统，结构简单。在工作过程中，全部推进剂都能无损失地燃烧产生推力，保持高性能，也因此被业内称为“最优动力循环”。

9吨级膨胀循环氢氧发动机的研制，突破了一系列动力难题，取得了一批具有自主知识产权的先进成果。发动机氢涡轮泵额定转速高达每分钟65000转，是我国目前转速最高的氢涡轮泵。

二：新动力一发带“全身”

上世纪80年代末，北京11所率先提出研制大推力氢氧火箭发动机的设想，并开展了预研论证工作。2001年12月，“50吨级液氢液氧发动机专项工程”批准立项，该型发动机作为长征五号芯一级大推力氢氧发动机正式开展研制。2003年，膨胀循环氢氧发动机开展预研论证，2006年10月作为长征五号芯二级动力装置正式开展研制。

吃“螃蟹”艰苦卓绝

科研的道路并非一帆风顺，随着研制工作的不断深入，各种问题和薄弱环节开始暴露。创造历史的都是先行者，要做第一个吃到“螃蟹”的人总要经历艰苦卓绝的时期。

2007年1月31日，第三台50吨大推力氢氧发动机完成了第一次长程热试验。试验后检查时发现，推力室出现了结构破坏，故障现象前所未见。之后，连续3台发动机、3次热试验，推力室仍旧出现了结构破坏，并伴随着越来越严重的烧蚀。

面对前所未有的挫折，设计人员通过查阅国内外相关资料、请教国内专家和同行，大胆假设、细心求证，从浩如烟海的数据中“抓住”一丝丝的异常。

功夫不负有心人，十多个人的研制团队历时一年半，终于找到了燃烧中的异常脉动频率，确定了高频不稳定燃烧的深层次故障原因。这是一个国际性难题，连美国也曾经耗时多年才最终解决。

确定原因后，研制团队一鼓作气，对推力室采取了多项综合改进措施，仅仅用5个月就完成了方案论证、设计出图及新产品的研制、生产和试验。2008年11月12日，改进优化设计的推力室热试验一举取得圆满成功，发动机的研制从此大步向前。

无独有偶，在芯二级膨胀循环氢氧发动机的研制过程中，研制队伍遇到了推力室内壁烧蚀、氢涡轮泵轴承保持架断裂这两只“拦路虎”。故障没有先例可循，没有资料可查，来自总体单位以及上级的各方不同声音，无形中给研制人员增加了巨大的压力。尤其是氢涡轮泵出现了多次轴承破坏问题，有的甚至挺不过一次试验。

探索的过程是艰难的，当时确定了问题归零的四个大方向，每一个选择都要承担巨大的风险。液体动力研制团队孜孜不倦、潜心攻关，最终，问题成功定位。经过20多次的模态试验，所有问题得以解决。发动机研制过程中最大的坎儿终于迈过去了，后续所有试车全部成功，至今保持了连续试车30000秒的成功纪录。

试车告捷奠定首飞基础

长征五号运载火箭首飞之前，动力系统试车是火箭出厂前的关键步骤。芯一级动力系统试车从产品方案到产品准备历时两年半，与其他类型火箭发动机试验相比，试验队员们要经受高温、高压、易爆、强震等更多危险的考验。

2015年2月9日，两台大推力氢氧发动机并联组成的芯一级动力系统，按照飞行状态被系固在火箭动力系统试车台上进行460秒的发动机点火试验，其中还包括30秒钟的发动机摇摆试验。

发动机以先锋之姿、摇摆之态呼啸山谷，试车取得圆满成功。这一天成为氢氧发动机研制团队永远铭记的日子。这一天凝聚着无数人的期待。

从工程立项到动力系统试车，十多年的时间已悄然过去，发动机也从襁褓之婴、懵懂顽童到茁壮青年。参与研制的许多专家青丝变白发，即便退休了仍心系研制，老当益壮，出谋划策；参与研制的青年才俊挥洒青春，淬炼成钢，成为型号研制的顶梁柱。在办公室激烈讨论设计方案，在深夜灯火中潜心故障归零，在车间现场紧盯进度，在试验现场共商细节，大家恪尽职守，只为试车成功。

随后，芯一级动力系统第二次全系统动力试车取得圆满成功，芯二级首次动力系统试车圆满成功，芯二级动力系统第二次试车圆满成功，长征五号运载火箭工程重大地面试验圆满收官。研制队伍团结一心，刻苦攻关，深入开展技术状态梳理、产品试验验证、质量复查及风险分析等大量的保成功工作，于2015年按时完成首飞产品交付。

新动力和新技术一起腾飞

50吨级氢氧发动机由于推力吨位、性能、可靠性以及结构方面，都与现有氢氧发动机有所不同，对加工、制造、试验设备以及材料工艺都提出了更高的要求。

发动机研制过程中，研制队伍突破了大推力氢氧发动机箱压预冷启动技术，突破了泵汽蚀、轴承高温启动等多项极限边界热试验技术，这些关键技术的突破使该型发动机涉及的材料工艺从100多型扩展到500多型。而以高温合金为代表的一批特种合金材料在我国火箭发动机研制中都是首次采用。

在膨胀循环上面级氢氧发动机关键技术研究过程中，研制队伍圆满完成了新型碳-碳喷管技术攻关。碳-碳大面积比可延伸喷管是世界高性能上面级发动机喷管技术的发展趋势，具有密度小、耐高温、抗烧蚀等优点，已经成功应用在欧美国家的发动机上。

在一年多的时间里，研制队伍先后攻克了喷管材料工艺性能、试车模拟仿真、喷管连接件可靠性以及高温传感器性能等技术难关，圆满完成了我国碳-碳复合材料喷管首次氢氧火箭发动机长程试车考核，带动了国内材料结构设计、仿真与试验能力的大跨越进步。

三：液体动力“梦之队”

“做到极致”是六院副院长兼北京11所所长周利民在两型氢氧发动机参加长五首飞出征动员会上送给研制队伍的四个字，也是氢氧发动机研制团队的一份朴素情怀。

火箭发动机结构复杂，零部件千百万个，可谓牵一发而动全身。在整个研制过程中只有严格遵循系统工程和项目工程的规律，将工作做到完美和极致，才能确保首飞成功。

在一次赶往天津新一代运载火箭产业化基地的路上，大推力氢氧发动机主任设计师乔桂玉说：“最怕的就是生病，生病了时间可耽误不起。”她的话道出了研制队员们的心声，大家最担心的就是身体跟不上工作的节奏。

临近首飞任务时，研制队伍一直处于高强度的备战状态。仅围绕全系统试车，他们就开展了67项600余次试验。每天长达15个小时的工作强度，让队员们停不下来。

石文靓是大推力氢氧发动机的动力试车主岗。在动力系统试车期间，她的父亲心脏病发作，需要立即进行心脏搭桥手术，而丈夫此时正在执行另一个型号任务。

领导劝她留下好好照顾父亲。然而，这个文静瘦弱的女子选择了坚守，每天工作到晚上七八点钟，不吃晚饭直接坐车去离试验站20多公里的医院照看父亲，第二天早上又准时7点到岗开展工作。在两次动力系统试车期间，她硬是没有耽误过半点工作，没有请过半天假。

“叶博士，你觉得今天定下来的方案可行吗？会不会有其他问题？”凌晨两点，刚刚回到家的膨胀循环发动机副主任设计师叶小明接到了同事刘中祥的电话。半夜讨论问题，对膨胀循环发动机研制队伍来说一点也不奇怪。面对氢涡轮泵试车中出现的轴承保持架断裂问题，技术攻关的过程如同抽丝剥茧，寂寞而曲折。

深夜，主任设计师孙慧娟把自己埋在办公室的图纸堆中，面对首飞的进度要求，她必须抓紧时间，分析出真空工作时膨胀循环发动机可能存在的各种风险，并逐一进行仿真计算，制定出地面试验验证和搭载飞行试验验证方案及控制措施。“虽然赶时间，但绝不能出差错。”孙慧娟是这样说的，也是这样做的。

没有轻松获得的成功，没有唾手可得的胜利。在首飞任务背后，两型氢氧发动机研制团队潜心攻关不言苦与累，拼尽全力衣带渐宽终不悔。

每一代人都有属于自己的长征路。站在中国航天新甲子、新长征的新起点上，北京11所将继续发扬长征精神和航天“三大精神”，不忘初心，以“中国创造”的创新智慧，不断推动低成本可重复使用液氧甲烷发动机、重型运载火箭发动机等新产品新技术研发，不断突破节能环保、热能工程、特种泵阀等领域军工关键核心技术转化应用，在建设航天强国、推动军民融合发展的长征路上，继续斩关夺隘，一路高歌。（张新 谭钏 邓尚/文 宿东 苑轩/摄）