载人登月的重中之重是什么

4月12日是世界航天日，也是世界载人航天整整60年的时刻。该节日之所以设立在4月12日，是因为在1961年的4月12日，27岁的前苏联宇航员加加林实现了人类首次遨游太空的壮举。

近几年，中国的载人航天事业同样取得了巨大成就。2003年10月15日，中国首次进行了载人航天飞行，杨利伟搭乘的由长征二号F火箭运载的神舟五号飞船在经历了21小时23分钟的太空之旅之后，成功返回地球。自此，中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。

而就在2020年12月17日，嫦娥五号成功从月球“载土”而归，实现了探月工程“绕、落、回”三步规划走完美收官，这让很多人开始期待，中国下一步是否会开展载人登月项目。

但是，载人登月项目必定会对中国航天航空事业提出更高规格的要求。今年3月5日，由中国航天科技集团六院研制的500吨级液氧煤油火箭发动机全工况半系统试车取得圆满成功，为后续重型运载火箭工程研制打下坚实基础，更是扫清了载人登月的一大障碍。今天我们就一起来说一说，什么是大推力发动机？大推力发动机的研制对中国航天事业又意味着什么呢？

为什么要发展大推力发动机？

发展大推力火箭发动机，自然是为了发射更大的火箭，一次性运载质量更大的飞船进入太空。二十世纪六十年代，美国为了载人登月，专门研发了海平面推力（指发动机在海平面的大气环境下可以达到的推力）6770千牛（690吨）的F-1火箭引擎，而使用此引擎的土星5号火箭更是协助美国完成了阿波罗登月任务，运载“Skylab（天空实验室）”空间站入轨。

我国计划将YF-130发动机作为长征9号运载火箭的第一级发动机，长征9号运载火箭的计划近地轨道（LEO）运载能力大约为140吨，这么大的质量自然是给载人登月准备的。为宇航员提供生命维持和生活需求，需要相较于无人登月更大的空间，这也是为什么载人登月需要运载能力更强的火箭执行任务。除此之外，也可以用于一次性发射一个空间站主体组件，省却了在轨对接的复杂事项，安全系数自然也会随之提高。

相较于前代发动机的提升

比起长征五号使用的YF-100发动机，YF-130发动机的提升首先就在推力方面体现出来。四倍的推力可以减少发动机的数量，从而提高安全性；除此之外，YF-130发动机更是使用了双燃烧室的布局替换了YF-100发动机的单燃烧室设计：从外观上看，就是一个发动机有两个一样大的喷口。

这和两个发动机有什么区别呢？虽说长得差不多，但区别还真不小。由于火箭发动机要在近乎真空的条件下工作，所以除了燃料，还需要提供氧化剂才能燃烧。这两个喷口使用同一个泵供应燃料，同一个泵供应氧化剂，相较于两个发动机的设计，少了两个泵和两组管线，自然就降低了发动机重量；而每个燃烧室只需要提供一半的推力，自然对燃烧室金属材料的要求也降低了。但燃烧室不能无限增多，所以推力越大，对燃烧室外壳金属的耐压要求依然会越高，自然研发难度也越大，实现高性能就越困难。

有研发困难，我们可以选择其它方式吗？

既然大推力发动机难以实现高性能，那么能否使用大量高性能的小推力火箭发动机将其代替呢？答案是很难。在美苏进行航天竞争的时期，由于苏联没有足够大推力的发动机，无奈使用了30个NK-15火箭发动机作为载人登月运载火箭N-1火箭第一级的发动机。而正是如此多的发动机并联使得N-1火箭的4次发射均以失败告终。

是苏联的发动机不合格么？不是的。NK-15发动机的可靠性极高。四次发射失败的原因并非发动机本身的问题，失败来源于多个发动机并联产生了纵向的耦合振动，从而撕裂了燃料罐道；或是多个发动机产生的废气让火箭出现了不受控制的轴向旋转，从而偏离预定轨迹；又或是发动机关机时诱发的压力波动远远超过预期，从而让火箭发生爆炸。

多个发动机并联时，故障概率并非1+1=2这么简单，而是1+1＞2甚至是指数型增长的。正如两体问题有解析解而三体问题不可解一样，整体结构越复杂、工程可靠性就越低，所以为了减少故障率，要尽量减少发动机的数量。

那，如果直接用一个发动机达到目的，难道不是最简单的么？不是的，暂不提这会导致多大的性能劣势，仅仅是泛用性上就有极大的问题。现在并非冷战时期的太空争霸，主要目标不只是速度，还有泛用性。除此之外，过大的燃烧室也会对发动机可靠性产生负面影响。从经验上，大约是4-8个发动机最为合理，在单发动机性能与整体可靠性上达到了平衡。

那么，我国的****500吨级YF-130火箭发动机究竟处于什么水平呢？

对火箭发动机的评价，大体要从四个方面入手：推力、比冲、工作时间、发动机推力/质量比。推力与工作时间自然不用多说，比冲代表的是发动机对燃料的利用效率，而发动机重量则影响了载荷的大小，发动机重量越大，载荷自然就越少。其中，比冲和推力/质量比这两个数据受到燃料类型的影响非常大，所以在对比时，我们仅对比使用相同类型燃料（煤油作为燃料、液氧作为氧化剂）的火箭发动机。

推力/质量比与我们常说的推重比并不是一回事。推重比是指推力与整体重量的比例，会随着火箭燃料逐渐消耗而增大。而推力/质量比仅与发动机有关，是发动机本身的性能体现。

在推力上，YF-130的推力仅次于美国F-1火箭发动机（600吨级）与俄罗斯RD-170火箭发动机（800吨级），高于俄罗斯RD-180火箭发动机（400吨级）。由于推力相差太大的发动机不宜直接比较，因此我们仅与上述三种发动机进行性能比较。虽然YF-130的推力逊于F-1与RD-170，但在其它性能上则有显著优势。

YF-130发动机与前代YF-100发动机一样，采用了燃料利用效率最高的分级燃烧循环设计，比冲与YF-100相差不大，考虑到采用了双燃烧室设计，会略微提高一些。海平面比冲大约是308s左右，而真空比冲大约340s。值得一提的是，分级燃烧循环技术最先进的国家便是中国与俄罗斯。俄罗斯/苏联彼时是此技术的先驱，而中国已经迎头赶上。

中国火箭发动机发展的“小步快跑”

回看中国的火箭发动机发展步骤，遵循的依然是“小步快跑”的方针政策：使用一代，研发一代，论证一代。比起美国在“传家宝”级别的AJ-10火箭发动机上改来改去的历史，如此的“小步快跑”模式在设计与利用上拥有更大的改动空间与性能弹性，也能在研发过程与论证过程中找到可以利用的技术，对现有发动机进行改进。这样的发展模式不仅发展速度快，而且技术稳妥，唯一的缺点便是对科研人才的需求较大，但这个缺点对我国庞大的受教育人口来讲并非不可接受的缺点。

我国已经实现了人口全面脱贫，正在向全面实现社会主义现代化的方向迈进。经济发展依然是重中之重，在没有国际竞争的情况下，并不需要像冷战时期的美国一样拿出0.5%的GDP进行不计成本的航天研究。因此，我国的航天事业发展不需要、也不能在低可靠性下“赌运气”，而需要以稳妥为主要思路前进。力图实现“发射一次，成功一次”的完美状态。

而在这个大背景下，自然没有必要为了极致的火箭发动机性能而牺牲可靠性和提高研发难度；取而代之的思路则是：高速发展技术，稳妥进行设计，在“过河”的过程中宁愿多踩几步，也不要摔倒。正是在这样的思路指引下，我国的航天技术才能基本上在一路成功的道路上快速发展，实现世界领先。

如果说长征5号使用的120吨级的YF-100火箭发动机为我国推开了重型运载火箭的门缝，那么500吨级的YF-130火箭发动机则是真正打开了大门。不论是载人登月、火星探索或是深空探索，都需要一张“重型运载火箭”的入场券。正是这样一个了不起的中国制造的火箭发动机，让我们在航天技术上达到世界领先水平。