[文/科工力量 柳葉刀]
與很多國(guó)外運(yùn)載火箭一樣，中國(guó)運(yùn)載火箭最早也是由遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈改進(jìn)、發(fā)展而來(lái)的，從一開始就被蒙上高度神秘的面紗。1956年，國(guó)防部第五研究院（現(xiàn)為中國(guó)運(yùn)載火箭研究院）成立后，錢學(xué)森擔(dān)任院長(zhǎng)，立即開始了地地彈道導(dǎo)彈的相關(guān)研究工作。
轉(zhuǎn)接蘇聯(lián)導(dǎo)彈 繼承德國(guó)技術(shù)
根據(jù)1957-1962年間的中蘇合作協(xié)議，蘇聯(lián)轉(zhuǎn)讓了R-1、R-2陸基彈道導(dǎo)彈以及R-11F海基彈道導(dǎo)彈的訓(xùn)練與戰(zhàn)斗模塊、以及技術(shù)文件等。
蘇聯(lián)的R-1與R-2是德國(guó)V-2導(dǎo)彈的改進(jìn)型號(hào)，前兩者的基本技術(shù)思路與V-2區(qū)別很小。R-1基本上是利用德國(guó)的V-2火箭的殘余零部件組裝起來(lái)的（因?yàn)槊绹?guó)搶在蘇聯(lián)前面，先將技術(shù)人員、資料與完整部件運(yùn)回國(guó)內(nèi)），其RD-100發(fā)動(dòng)機(jī)沿用V-2的液氧/酒精推進(jìn)劑方案，發(fā)動(dòng)機(jī)核心組件蒸汽發(fā)生器繼承了V-2的雙氧水分解產(chǎn)生動(dòng)力的方式，驅(qū)動(dòng)渦輪泵。
因?yàn)镽-1是在德國(guó)人的幫助下進(jìn)行復(fù)原的，蘇聯(lián)人同時(shí)也獨(dú)立組織了一批自己的工程師，研制R-2導(dǎo)彈，其射程是V-2的兩倍。其RD-101發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與RD-100相比，高度降低，質(zhì)量減小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，推力增加。蒸汽發(fā)生器有所改變，改用固體催化劑分解雙氧水。
最初的東風(fēng)-1導(dǎo)彈就是仿制蘇聯(lián)的R-2。1958年，在蘇聯(lián)顧問的幫助下，國(guó)防部第五研究院開始復(fù)制工作。東風(fēng)-1采用一臺(tái)RD-101發(fā)動(dòng)機(jī)，所以推進(jìn)劑、蒸汽發(fā)生器、渦輪泵基本繼承自R-2。另外，東風(fēng)-1與R-2兩者的北約代號(hào)都是SS-2，從中也可見二者技術(shù)的相似之處。隨后第五研究院于1960年開始獨(dú)立研制東風(fēng)-2導(dǎo)彈，在消化蘇聯(lián)R-2技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，仍采用液氧/酒精推進(jìn)劑，但射程增加。
與美蘇一樣，中國(guó)的技術(shù)人員也需要克服液氧常溫下，大量揮發(fā)、難以保存難題。所以，東風(fēng)-3導(dǎo)彈改變策略，推進(jìn)劑改為偏二甲肼/硝酸。同時(shí)，將四臺(tái)YF-1發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)（即YF-2）作為動(dòng)力，地面推力提升至104噸。后來(lái)的東風(fēng)-4（二級(jí)結(jié)構(gòu)）與長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭的第一級(jí)都是采用東風(fēng)-3導(dǎo)彈的動(dòng)力設(shè)置（稍加改進(jìn)）。
YF-2發(fā)動(dòng)機(jī)有四個(gè)燃燒室，每個(gè)燃燒室都有自己的渦輪泵。YF-2就是4個(gè)YF-1單燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組合在一起的。YF--1發(fā)動(dòng)機(jī)可以看做是一個(gè)基本型號(hào)，長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭的一、二級(jí)使用的幾型發(fā)動(dòng)機(jī)都基于YF-1的改進(jìn)或組合
YF-1發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑采用偏二甲肼/硝酸，與雙氧水分解驅(qū)動(dòng)渦輪泵不同，YF-1采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，即導(dǎo)入部分推進(jìn)劑進(jìn)入發(fā)生器燃燒，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵。
“東風(fēng)-3”、“ 飛毛腿B”、“勞動(dòng)”這三型導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似
如果忽略大小，單從外觀結(jié)構(gòu)上看，YF-1發(fā)動(dòng)機(jī)與蘇聯(lián)的飛毛腿B（Scud-B）發(fā)動(dòng)機(jī)、朝鮮的“勞動(dòng)（Nodong）”彈道導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)非常相似。前面提到的R-11的最終改進(jìn)設(shè)計(jì)版為R-17，也被稱為“飛毛腿B”出售到全世界。在中蘇最初的合作協(xié)議中，就有轉(zhuǎn)讓R-11F約定。相關(guān)資料顯示，朝鮮的“勞動(dòng)”彈道導(dǎo)彈的大量技術(shù)也是來(lái)自“飛毛腿”導(dǎo)彈。
YF-2發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)燃燒室都配備各自的渦輪泵，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)采用的是開式泵壓循環(huán)，所以燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪后，直接排放到外部。雖然YF-2與蘇聯(lián)的RD-107同為四燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)（筆者在《火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，人類玩火的極限——蘇聯(lián)R-7系列火箭》一文已介紹），但RD-107的所有燃燒室中推進(jìn)劑的注入都是由一個(gè)渦輪泵單元提供動(dòng)力，所以RD-107發(fā)動(dòng)機(jī)上部的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔。當(dāng)然采用一個(gè)渦輪泵，需要克服推進(jìn)劑等量均勻注入燃燒室的問題，按照中國(guó)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，在YF-2合并使用一臺(tái)渦輪泵可能存在困難。
在冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)推力室方面，YF-1發(fā)動(dòng)機(jī)與早期的蘇聯(lián)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都是采用再生冷卻循環(huán)（德國(guó)的技術(shù)），燃料從推力室的底部流經(jīng)噴管夾層，冷卻推力室的同時(shí)并預(yù)熱燃料。因此，可以看到在發(fā)動(dòng)噴管外周有兩根分叉的導(dǎo)管，接入噴管下部，燃料由此進(jìn)入，起到再生冷卻作用。
開式泵壓循環(huán)、再生冷卻循環(huán)
YF-1渦輪泵的剖面結(jié)構(gòu)，從資料圖上看，YF-1的渦輪泵采用的是普遍的單軸設(shè)計(jì)，燃料泵和氧化劑泵分別位于渦輪的兩側(cè)，中間圓盤狀為提供動(dòng)力的渦輪。這樣的設(shè)計(jì)思想與最初的V-2發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相似
不過值得注意的是，在渦輪泵結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)的YF-1發(fā)動(dòng)機(jī)與蘇聯(lián)的飛毛腿B（Scud-B）發(fā)動(dòng)機(jī)、朝鮮的“勞動(dòng)（Nodong）”彈道導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)存在差異。后兩者渦輪泵雖然仍是單軸結(jié)構(gòu)，但是渦輪位于單側(cè)，并非燃料泵與氧化劑泵之間。
在渦輪泵中，渦輪位于最右側(cè)（紅色方框），氧化劑泵與燃料泵位于左側(cè)
基于東風(fēng)-4導(dǎo)彈 研制中國(guó)第一枚運(yùn)載火箭
1966年，根據(jù)國(guó)防科委的要求，當(dāng)時(shí)主管航天部門七機(jī)部就確定，我國(guó)第一枚衛(wèi)星運(yùn)載火箭選用東風(fēng)-4液體導(dǎo)彈。1967年提出了長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭方案。該型火箭是三級(jí)結(jié)構(gòu)，火箭的一、二級(jí)在東風(fēng)-4號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。第一級(jí)采用的是YF-2A發(fā)動(dòng)機(jī)（即四個(gè)YF-1A火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)），推進(jìn)劑為硝酸-27S/偏二甲肼組合。第二級(jí)采用YF-3A（即YF-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)增強(qiáng)版）。
長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭尾部可見四個(gè)YF-1A火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)
該型火箭的第三級(jí)與如今普遍類型的三級(jí)有所不同，其采用的是FG-02固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使用高氯酸銨-聚硫橡膠復(fù)合固體推進(jìn)劑。一般來(lái)說，火箭的第三級(jí)需要實(shí)現(xiàn)高空啟動(dòng)點(diǎn)火，需要一定的技術(shù)水平。相比于液體發(fā)動(dòng)機(jī)，固體燃料無(wú)法多次點(diǎn)火（推進(jìn)劑一次燃盡），這就給火箭的姿態(tài)調(diào)整帶來(lái)挑戰(zhàn)。不過，長(zhǎng)征一號(hào)在其后來(lái)的衍生型號(hào)中，第三級(jí)有采用四氧化二氮/偏二甲肼液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。
長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭共進(jìn)行了兩次發(fā)射，1970年4月24日，將東方紅1號(hào)衛(wèi)星送入軌道。1971年3月3日，又將實(shí)踐一號(hào)科學(xué)衛(wèi)星送入軌道。
長(zhǎng)征二號(hào)技術(shù)積累 奠定中國(guó)運(yùn)載火箭堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)
長(zhǎng)征一號(hào)順利發(fā)射成功后，緊接著新研制的東風(fēng)-5洲際彈道導(dǎo)彈成功發(fā)射。在東風(fēng)-5的基礎(chǔ)上又研制長(zhǎng)征二號(hào)系列、長(zhǎng)征三號(hào)系列、長(zhǎng)征四號(hào)系列。這三個(gè)系列成為中國(guó)航天工程的骨干運(yùn)載火箭。與長(zhǎng)征一號(hào)系列運(yùn)載火箭不同，后三個(gè)系列的一、二級(jí)基本采用四氧化二氮/偏二甲肼作為推進(jìn)劑。
在長(zhǎng)征三號(hào)系列運(yùn)載火箭中，第三級(jí)使用氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力
長(zhǎng)征二號(hào)系列運(yùn)載火箭一般認(rèn)為由風(fēng)暴一號(hào)、長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征二號(hào)丙、長(zhǎng)征二號(hào)丁、長(zhǎng)征二號(hào)捆、長(zhǎng)征二號(hào)F這6種型號(hào)組成。實(shí)際上，風(fēng)暴一號(hào)有時(shí)也被稱為“新長(zhǎng)征一號(hào)”，但是其動(dòng)力和推進(jìn)劑與長(zhǎng)征一號(hào)系列相比，發(fā)生改變。
在長(zhǎng)征二號(hào)系列中，其第一級(jí)動(dòng)力來(lái)自YF-20發(fā)動(dòng)機(jī)或者YF-21（四臺(tái)YF-20的組合）。YF-20發(fā)動(dòng)機(jī)通常也與YF-23游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（四燃燒室結(jié)構(gòu)）配合構(gòu)成第二級(jí)火箭動(dòng)力，實(shí)際上二級(jí)動(dòng)力搭配恰好組成YF-24火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
YF-21發(fā)動(dòng)機(jī)（左）由四臺(tái)YF-20發(fā)動(dòng)機(jī)（右）而成組合。一級(jí)四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在一個(gè)圓周上，可以沿著圓周擺動(dòng)，以控制火箭的飛行，總推力約2940千牛，1秒鐘消耗約1150千克推進(jìn)劑
YF-24發(fā)動(dòng)機(jī)，由主發(fā)動(dòng)機(jī)YF-20的改進(jìn)型與YF-23四燃燒室游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)組成。二級(jí)中心安裝的主發(fā)動(dòng)機(jī)，推力約735千牛，1秒鐘消耗約255千克推進(jìn)劑。在主發(fā)動(dòng)機(jī)頂部安裝一臺(tái)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，包含四個(gè)推力室，其總推力約為46千牛，1秒鐘消耗約16.6千克推進(jìn)劑
以暴風(fēng)一號(hào)為例，其一級(jí)動(dòng)力來(lái)自四個(gè)YF-20A，二級(jí)動(dòng)力由一臺(tái)YF-22（YF-20火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴擴(kuò)大版本）和一臺(tái)YF-23游動(dòng)發(fā)動(dòng)組成。長(zhǎng)征二號(hào)系列其他幾個(gè)版本也采用這樣的動(dòng)力設(shè)置。另外，在其捆綁型中，助推器并非采用固體燃料，動(dòng)力仍來(lái)自YF-20液體發(fā)動(dòng)機(jī)。
長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭一級(jí)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)YF-20結(jié)構(gòu)，渦輪泵中渦輪設(shè)置在單側(cè)，燃料再生冷卻推力室，渦輪排氣加熱液氧增壓貯箱
關(guān)于游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，筆者在《火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，人類玩火的極限——蘇聯(lián)R-7系列火箭》一文中提到，R-7火箭的芯級(jí)動(dòng)力RD-108與助推機(jī)器RD-107，都配備游離發(fā)動(dòng)機(jī)。一般來(lái)說，此種游離發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力也來(lái)自于推進(jìn)劑。
YF-24中游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)燃燒室共用一個(gè)渦輪泵，給它們注入推進(jìn)劑。主發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)使用另一個(gè)渦輪泵。兩者都是采用開式泵壓循環(huán)，驅(qū)動(dòng)渦輪后的燃?xì)舛甲罱K排出發(fā)動(dòng)機(jī)外部。
YF-24的游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與主發(fā)動(dòng)機(jī)布局
游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)推力室都能夠沿圓周單向擺動(dòng)，用于控制火箭二級(jí)的飛行，還可以用來(lái)消除主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后殘留推力偏差，也可以讓它長(zhǎng)時(shí)間工作，以增加火箭二級(jí)的飛行時(shí)間，提高二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)的飛行高度。
長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭一級(jí)和二級(jí)都采用了擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)方案，這與過去使用燃?xì)舛嫦啾龋且粋€(gè)很大的技術(shù)進(jìn)步。長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭使用的是燃?xì)舛妫ǖ聡?guó)V-2火箭也使用燃?xì)舛妫?，放在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處的燃?xì)饬髦校荒芨淖儾糠秩細(xì)饬鞯膰娚浞较?，可提供的控制力小，還降低了噴流的速度和發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。而通過擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以改變?nèi)咳細(xì)饬鞯膰娚浞较?，使擺動(dòng)同樣角度所提供控制力大大增加，同時(shí)燃?xì)鈬娏魉俣炔皇苡绊憽?/p>
與長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭一樣，長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭二級(jí)安裝的主發(fā)動(dòng)機(jī)，也是以一級(jí)75噸發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)改進(jìn)而制造出來(lái)的，利用了一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本的技術(shù)和部件，這也節(jié)約了不少研制經(jīng)費(fèi)，并且縮短了研制周期。但是為了提高火箭二級(jí)飛行的靈活性，其游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有與主發(fā)動(dòng)機(jī)共用渦輪泵系統(tǒng)，而采用了獨(dú)立的泵系統(tǒng)，使得游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的情況下，也能獨(dú)立工作，這對(duì)發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)載火箭是必要的。
長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭一、二級(jí)分離采用熱分離方案。二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)在一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)機(jī)前點(diǎn)火，二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作后，才利用爆炸螺栓切斷火箭一、二級(jí)的聯(lián)系，無(wú)用的火箭一級(jí)在火箭二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的推動(dòng)下，離開正在工作的二級(jí)火箭。為了保證二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰從火箭兩級(jí)之間盡快排出，火箭兩級(jí)之間采用了斜拉金屬桿連接方式，中間保留了很大的空隙。這樣的一、二級(jí)分離方案實(shí)際上是繼承自東風(fēng)-4導(dǎo)彈。
“長(zhǎng)征二號(hào)丙”運(yùn)載火箭，在級(jí)間桿系及級(jí)間段，采用了斜拉金屬桿連接方式，可能借鑒了蘇聯(lián)人的思路，因?yàn)镽-7火箭也是這樣的設(shè)計(jì)思路
結(jié)束語(yǔ)
長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭一級(jí)和二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，還有逐漸成熟的一、二級(jí)熱分離技術(shù)，為我國(guó)后來(lái)的運(yùn)載火箭發(fā)展打下了基礎(chǔ)。利用這種發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合方式，還有一、二級(jí)的熱分離技術(shù)，再加上后來(lái)發(fā)展的助推器捆綁技術(shù)，形成了我國(guó)“長(zhǎng)征”火箭共10多種型號(hào)的大家族。
