我国高性能液氧液氢发动机技术发展概述

液氧液氢发动机是指采用液氧和液氢作为推进剂的火箭发动机（以下简称氢氧发动机）。液氢作为火箭发动机燃料有诸多突出优点：液氢是化学推进剂中能量最高的燃料，与液氧燃烧的热值很高，采用液氧液氢作为推进剂的发动机，其比冲性能较常规发动机高40%~50%；液氢与液氧的燃烧产物为水蒸气，无固相产物积存，清洁无污染，特别适宜重复使用；液氢与液氧易于点火，燃烧稳定且效率高，液氢的临界压力低，比热容高，适宜作为推力室再生冷却剂，各种动力循环方案均适宜，有利于发动机方案优化与可靠性设计。

一、我国氢氧发动机发展现状

（一）发展现状

1961年1月，在钱学森先生的建议下，我国开始研究液氢在火箭上的应用问题。1965年3月，发动机研制单位与中国科学院力学所合作，设计了200kg液氧/气氢推力室，并进行了多次点火燃烧试验，这成为我国氢氧发动机走向工程研制的起点。之后半个多世纪，我国先后研制出不同推力等级、不同循环方式的多型高性能氢氧发动机，如图1所示。国内外典型氢氧发动机对比见表1。

表1 国内外典型氢氧发动机情况

1975年3月，我国启动“331工程”，立项研制第一台氢氧发动机，代号为YF-73，作为“长征”三号火箭上面级发动机。发动机采用燃气发生器循环，真空推力4t，采用单涡轮齿轮箱动力传递系统，由1台涡轮泵给4台燃烧室供应推进剂，每台燃烧室可进行±24°的单向摇摆，以提供姿态控制力矩；发动机喷管面积比为40:1，真空比冲420s，具备2次启动工作能力。这是我国自行设计的第一台氢氧发动机，共执行了13次飞行任务（其中失败3次），但由于发动机可靠性不高，火箭运载能力较低，于2000年5月26日退役。通过研制YF-73发动机，我国掌握了低温氢氧发动机研制的关键技术，为今后高性能氢氧发动机的发展壮大奠定了基础。

为满足地球同步轨道通信卫星结构质量和尺寸不断增加的需求，1986年，我国开始研制更大推力的氢氧发动机，代号YF-75，用于“长征”三号A系列火箭三子级。YF-75发动机同样采用燃气发生器循环，真空推力8t，双涡轮泵串联、泵前摇摆，每台单机都可双向摇摆，对火箭姿态进行俯仰、偏航控制；发动机喷管面积比为80:1，真空比冲438s，具备2次启动工作能力。发动机于1994年2月8日首飞成功，将2颗卫星送入地球同步转移轨道。YF-75发动机的研制成功带动了多项新技术的发展，使我国的低温氢氧发动机技术发生质的飞跃，为后续研制不同推力量级、不同循环方式的氢氧发动机提供了强有力的技术支持，在我国氢氧发动机发展历史上具有承前启后的重大意义。

为适应未来航天发展需求，“九五”期间我国进行了50吨级补燃循环氢氧发动机的预研工作，以及高效涡轮泵、高压推力室等多项关键技术攻关。发动机设计真空推力50t，室压12MPa，完成了组合件关键技术攻关和半系统联试，但最终的全系统验证试验未能成功。

2002年，我国启动了新一代运载火箭“长征”五号用50吨级芯级发动机YF-77的工程研制工作，发动机采用燃气发生器循环，地面推力52t，真空推力70t，真空比冲428s，地面一次启动。与YF-75发动机相比，YF-77发动机的推力量级和结构尺寸均有大幅度提高，发动机的设计、生产和试验技术跨度较大。YF-77发动机是目前我国推力最大、综合性能水平较高的氢氧发动机，对提升我国进入空间和利用空间的能力具有重要意义。

在研制YF-77发动机的同时，2006年，我国在YF-75发动机基础上开始研制YF-75D氢氧全流量闭式膨胀循环发动机，以满足新一代运载火箭“长征”五号芯二级对发动机高性能、高可靠的要求。YF-75D发动机采用膨胀循环，真空推力9t，采用双涡轮泵串联、泵前摇摆方案，喷管面积比80∶1，比冲442s，具备多次启动工作能力。通过YF-75D发动机的研制，我国全面自主地掌握了膨胀循环发动机技术，使我国高性能低温上面级发动机技术跃上了一个新台阶。

我国“十三五”航天白皮书提出“开展重型运载火箭关键技术攻关和方案深化论证，突破重型运载火箭关键技术，启动重型运载火箭工程实施”的发展规划。基于重型运载火箭对高性能、大推力氢氧动力的技术需求，我国目前正在开展大推力高性能氢氧发动机关键技术攻关，并取得积极进展。大推力氢氧发动机技术先进、性能水平高，在性能、功能和规模上能够实现跨越式发展，对氢氧发动机技术的牵引力强，研制成功后，将推动我国高性能氢氧发动机技术进入世界先进行列。

（二）发展成果

一是成功研制多型氢氧发动机，掌握了低温高性能氢氧动力技术，助推运载火箭跨入世界先进行列。经过40多年的发展，我国成功研制了YF-73、YF-75、YF-75D、YF-77多型高性能氢氧发动机，助推我国运载火箭技术水平跻身国际先进行列。我国第一台氢氧火箭发动机YF-73首次将我国地球同步轨道通信卫星成功送入轨道，标志着我国航天技术迈上一个新台阶；第二台氢氧发动机YF-75截至目前已累计完成120余次航天发射任务，为我国通信卫星、气象卫星、“北斗”导航、探月工程等多项国家重点航天工程作出突出贡献；YF-75D氢氧发动机成功参加了新一代运载火箭两次飞行试验，是继美国RL-10发动机之后世界上第二款投入实际飞行应用的高性能闭式膨胀循环发动机；YF-77氢氧发动机作为我国目前首台地面点火启动直接入轨的大推力发动机，综合性能水平较高，是后续执行探月工程三期、空间站、火星探测等国家重大专项任务的重要支撑，对提升我国进入空间和利用空间的能力具有重要意义。通过高性能氢氧发动机的研制和应用，我国成功解决了现役“长征”系列运载火箭运载能力低、“三化”程度低、推进剂有毒等问题，氢氧发动机与其他火箭动力一起使火箭近地轨道运载能力从8.6t提升至25t，地球同步转移轨道运载能力从5.5t跃升至14t。同时，也为未来我国研制重型运载火箭，以及运载火箭系列化、模块化发展奠定了坚实基础。

二是勇于创新、自力更生，建成了系统完整的高性能氢氧动力设计、生产、试验体系，确保工程研制顺利推进。我国氢氧发动机研制过程中坚持自主创新的发展道路，继承中求突破，突破中求创新，研发团队全面掌握了高性能氢氧发动机的研制规律，建立了相对完整和系统的氢氧动力设计、生产、试验技术研究体系及保障体系。

从首台YF-73小推力氢氧发动机到50吨级YF-77发动机，我国突破了氢氧发动机系统设计技术、启动控制技术、高性能高稳定裕度喷注器设计技术、高速排放隔板喷嘴技术、大面积比螺旋管束式喷管技术、锆铜燃烧室技术、多级液氢泵设计技术、浮动环动密封技术、平衡活塞轴向力自动平衡技术、镀镍隔热层与高深宽比再生冷却通道一体化热防护技术、大尺寸复杂结构钛合金粉末冶金叶轮技术、高DN值重载陶瓷球轴承技术、瑞利动压槽结构浮动环动密封技术等一系列发动机设计、生产与试验关键技术，产品实现100%国产化，拥有完全自主知识产权，发动机的综合性能达到国外同类发动机先进水平，部分技术指标达到国际领先水平。

在发动机研制立项、科研过程中，中国航天培养并建设了一支具有丰富工程经验且高素质的氢氧发动机设计、工艺、试验及管理队伍，建成了功能完善、设施齐全的氢氧发动机协同设计平台、数字化仿真分析平台、泵水力试验台、涡轮性能试验台、高速转子动特性试验台、组合件低温介质试验台、喷雾试验台等保障条件；建成了具备适应不同推力等级的发动机组合件、发动机分系统、发动机整机及高空模拟试验台；建立了成熟完整的氢氧发动机加工、装配、测试生产线。

三是通过高性能氢氧发动机研制，实现科技成果转化利用，带动相关专业学科领域进步与产业应用发展。氢氧动力技术的研究涉及诸多学科与领域，高性能氢氧发动机的工程研制带动了我国热力学、燃烧与传热学、流体力学、固体力学、结构动力学、数值仿真技术、低温技术、试验与测试技术、先进制造技术、材料与工艺等诸多学科与领域的技术发展，促进和推动了科技进步与理论创新。

液氢绝对无毒、无污染，而且是再生能源，是未来最有希望的清洁能源之一，符合未来人类社会生态环境与国民经济发展的要求。从氢氧发动机发展而来的氢能技术可以拓展到液氧甲烷动力、燃料电池、核热动力、新型组合动力等通用动力领域，用于航天器、车辆、舰船的能源和动力系统，能够带动国民经济中氢能源产业的发展与壮大，军民两用性能好。

二、我国氢氧发动机发展建议

一是坚持动力先行，优先发展，重点保障，为运载火箭快速研制与应用奠定基础。

氢氧发动机是一项复杂的系统工程，由于其具有研制周期长、风险高、技术复杂等特点，容易成为运载火箭发展的短线和瓶颈，是火箭研制中首先要解决的问题。从国内外运载火箭研制历程来看，氢氧发动机都是各国的研究重点和优先发展的战略领域。每一型配套氢氧动力的新型号火箭，其氢氧发动机的研制往往要提前3~5年。因此，“航天发展，动力先行”是航天运载健康发展的重要保障，同时也是世界各国航天发展的普遍规律。

我国航天秉承“航天发展，动力先行”的指导思想，瞄准国际前沿、准确把握技术发展趋势、科学规划预先研究、及时开展型号工程研制，始终将氢氧动力作为重点保障和优先发展的战略领域。20世纪60年代，美国首次将氢氧发动机应用于“宇宙神人马座”运载火箭，取得巨大成效。我国适时成立氢氧发动机预研组，通过十余年的预先研究工作，攻克了氢氧点火、液氢生产、安全贮存等关键技术，为后续的工程研制提供了基础；1976年，“331工程”实施后，我国启动了氢氧发动机的工程研制工作，并成功研制出我国首台氢氧发动机，1984年，我国“东方红”二号首颗地球同步卫星成功发射，使我国的运载技术跨入世界先进行列；基于前期氢氧发动机的研制基础，1993年，8吨级氢氧发动机研制成功，其至今已成功完成120余发飞行，将100余颗卫星送入太空，被誉为“金牌发动机”。

20世纪90年代，根据我国新一代运载火箭发展需要，原国防科工委确定了开展大推力氢氧发动机的关键技术预先研究工作，突破了大推力氢氧发动机的主要关键技术；2002年和2006年，50吨级氢氧发动机与9吨级膨胀循环氢氧发动机的工程研制工作先后启动，为2006年立项实施的“长征”五号运载火箭研制任务打下了坚实的动力基础，并有力带动了“长征”五号、“长征”五号B新型运载火箭的发展，为探月工程三期、载人空间站等国家重大科技专项任务的顺利实施提供了动力保障。

二是加速推进新一代氢氧发动机的工程应用与优化改进，抓紧开展重型运载火箭用大推力氢氧发动机关键技术攻关，通过“服役一代，改进一代，预研一代”的统筹发展战略，为运载火箭持续发展提供技术支撑与储备。

我国现役运载火箭尚采用有毒推进剂发动机作为主动力装置，已无法满足我国绿色环保发展及国际航天商业发射市场的要求。目前，以50吨级氢氧发动机和9吨级氢氧发动机为代表的我国新一代氢氧动力已顺利完成工程研制，并成功参与首飞试验。新一代氢氧动力及液氧煤油动力的研制成功，使我国具备了开展现役运载火箭动力系统升级换代的条件，为建立形成优质、高效、绿色、安全的航天新一代运载火箭系列奠定了基础。以新一代氢氧发动机及液氧煤油发动机为基础动力的新一代运载火箭将肩负我国后续探月三期工程、空间站建设及深空探测等重大专项工程实施的重任，为我国航天事业健康可持续发展提供有力支撑。

在一个好的技术平台开展氢氧发动机衍生产品方案优化与改进设计工作，可以使发动机适应不同任务的能力大大增强，以较小的代价获得较大的收益，有利于运载火箭构型优化和运载能力提升。国外十分注重在好的平台基础上对氢氧发动机进行不断改进提高和扩展应用。例如，美国的RL-10发动机从20世纪60年代首飞后就一直在改进，从RL-10到RL-10A/B/C，性能不断提高并应用于各种不同的火箭；J-2发动机也在不断改进成J-2S再到现在的J-2X；RD-56改进成RD-56M，HM-7改进成HM-7B，Vulcain改进成Vulcain2，LE-5改进成LE-5A/B，LE-7改进成LE-7A。因此，我国在完成新一代50吨级氢氧发动机和9吨级膨胀循环氢氧发动机服役与运营的同时，在现有技术平台的基础上开展衍生产品优化设计工作，对发动机进行适当的技术改进，提高产品性能水平，拓展产品功能、提高产品可靠性和使用维护性，对支持未来运载火箭构型优化、能力提升和可持续发展具有重要意义。

大推力氢氧发动机有利于提高运载火箭的运载能力和动力系统的整体可靠性。与先进国家相比，我国的运载火箭与氢氧发动机还需要尽快向前发展。我国现有的以常规推进剂发动机和低温推进剂发动机为基础动力的“长征”系列火箭，均通过并联和捆绑方式发挥发动机的效能，虽然近地轨道运载能力达到4~25t，但随着火箭的复杂性增加，提高可靠性的难度加大，如果没有研制出更大推力的氢氧发动机，进一步提高火箭运载能力的可能性很小。同时，未来研制重型运载火箭，向太空运送大型构件、载人登月等应用需求，也需要大推力氢氧发动机的支持。我国目前正在开展大推力氢氧发动机关键技术攻关，并取得积极进展。进一步加大大推力氢氧发动机关键核心技术攻关力度，确保尽快形成突破，可为我国未来运载火箭的跨越式发展提供重要支持。

三是遵循科学研制规律，加强氢氧动力基础理论研究力度，根本解决制约后续航天高效发展的动力短板和瓶颈；加强发动机数字化仿真与协同设计能力，推进研制模式转型。

近十年来，我国“长征”系列运载火箭共进行过170余次宇航发射，其中7次未将卫星送入预定轨道或发射任务失利，而80%的故障与动力系统相关，这表明虽然我国运载火箭技术已取得巨大成就和重要进展，但宇航动力的工作效率与固有可靠性还存在差距，火箭动力“心脏病”的问题仍然存在，尚未彻底根除，仍然是制约后续发展的短板和瓶颈。

氢氧发动机涉及燃烧学、结构力学、流体力学、材料学、低温工程等多个学科，是一个高度复杂、高度集成、功率密度极高的热力机械，产品设计、生产、试验等过程中均存在制约产品进展与可靠性的瓶颈问题。几十年来，我国氢氧动力遵循“总体牵引，动力先行”的发展原则，走出了一条具有中国特色的独立自主、自主创新的发展之路，为航天事业的跨越式发展提供了重要动力支撑。但在工程实践过程中，氢氧发动机的研发更多侧重于满足型号任务需求的工程实现，而缺乏对基础理论、设计理念和验证方法的长期系统深入研究。历史故障表明，在复杂环境下的结构力热耦合振动分析及结构动力学分析，低温发动机内部复杂流动、传热、燃烧过程分析，低温旋转机械转子在近临界或超临界转速下的振动、平衡与稳定性分析等方面，我国氢氧发动机仍存在基础研究不系统、不深入、不全面的问题，尚未形成科学、有效的设计规范、设计方法与设计准则。

三、结束语

作为运载火箭最为关键的分系统之一，氢氧发动机可显著提高运载火箭的有效载荷能力，是否掌握高性能氢氧发动机技术，是衡量一个国家航天实力的重要指标之一。

岳文龙

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航天运输系统关键技术；空间基础设施体系与空间应用服务体系建设；载人航天重大技术突破及空间站在轨建造；探月与深空探测任务及关键技术；技术试验卫星及关键技术试验验证；航天发射场系统及新型航天发射体系建设；航天测控系统及天地一体化航天测控体系；空间科学卫星项目进展及空间科学前沿领域重大突破；空间碎片监测、预警、防护能力分析，以及空间环境监测系统建设情况等。

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