探月“动力解码”！嫦娥六号探测任务都用到了哪些发动机？

2024 年 7 月 12 日，航天推进技术研究院的研究员吴宝元在科普中国星空讲坛陕西专场“探秘星空 触摸未来”带来演讲《嫦娥六号动力解码》。

嫦娥六号探测任务是人类第一次在月球背面取样，是我国航天集成度最高的一次任务，也是世界航天事业上的重要里程碑。在这次任务中，采用了107台发动机，而且都是液体火箭发动机。

一般来说，运输器发动机数量是比较少的，比如说汽车是一台发动机，飞机发动机一般不超过四台，而嫦娥六号任务为什么用到了 107 台发动机?

让我们先看看火箭发动机的推进原理。

火箭发动机是如何推进火箭的？

不同发动机驱动原理差别比较大。

比如汽车，是通过发动机驱动轮胎作用于地面产生反作用力来行驶。特点是作用于第三物体；而飞机上的涡轮喷气发动机是通过喷出气体产生反作用力来提供推力，其特点是通过喷气产生反作用力。从这一点来说，火箭更接近于飞机。

从作用力和反作用力的角度来看：我们步行，用脚蹬地来获得动力；从椅子上站起来，用手撑椅子扶手获得推举力；飞机转弯，通过操纵副翼、升降舵和方向舵作用于高速空气获得相应作用力。

这些例子中，都存在第三物体，比如地面、椅子扶手、空气，运动体都是通过作用于外界来获得反作用力。而在太空中，就像电影中的宇航员，不存在第三物体，就无从着力，只能通过扔出宇航服手臂来获得反作用作为推进力。

概括来讲，我们可以这么来理解喷气产生推力的过程：如果外界没有物体，我们就创造并作用于这样一个物体来获得推进力，而这个被扔出去的物体呢，我们把它叫“工质”。目前，所有的推进都是有“工质”推进的，至于无“工质”推进一直是科幻的题材。

火箭发动机的工质就是喷出去的高温燃气，其能量来自于燃料和氧化剂中蕴含的化学能，而燃料和氧化剂就是发动机的推进剂。液体火箭发动机的排气速度一般在3000~4500m/s，排气速度越快，性能就越高。

这些能量是如何逐步释放并驱动任务完成的？

从发动机能量使用角度看，嫦娥六号任务主要有六个阶段——

第一个阶段：运载火箭发射至地月转移轨道，飞行时间2210s，释放约99%的能量；

第二个阶段：地月转移及近月制动，飞行5天，释放剩余1%中的约30%；

第三个阶段：月面着陆，飞行 900s，释放剩余中的约40%；

第四个阶段：月面上升，飞行360s，释放剩余中的约10%；

第五个阶段：月地转移，飞行5天，释放剩余中的约 20%；

第六个阶段：再入水漂回收(返回器)，消耗的能量可忽略。

从能量使用角度来看，嫦娥六号任务最让人惊讶的是，使用了99%的能量把探测器送到地月转移轨道。从这个角度来看，要摆脱地球的引力进入太空，难度是非常大的。而且这99%的能量释放是在37分钟内时间内完成的，这充分体现了液体火箭发动机功率密度巨大的特点。

功率密度是单位质量(或体积)在单位时间内释放的能量。据测算，长征五号发射时的功率相当于三个三峡大坝满负荷运行，单台120吨级液氧煤油发动机的功率高于葛洲坝水电站和台山核电站。

嫦娥六号任务中最具特色的三种发动机

下面介绍一下本次任务中最具特色的三种发动机。

其中，120吨级液氧煤油发动机是中国现役最大推力的发动机。它采用液氧和煤油作为推进剂，具有密度比冲高、贮存性能好、绿色环保等优点，是我国新一代运载火箭系列的主心骨。它的单台发动机推进剂流量超过400kg/s，相当于每秒消耗的燃油流量有140升，够普通家用汽车加三次油。长征五号助推级采用了八台这种发动机，提供了960吨的推举力。我本人也很荣幸全程参与了这种发动机的研制。

第二种，7500N变推力发动机可以说是嫦娥工程的功勋发动机，能够实现推力从7500牛到1500牛的连续变化，这种能力对于执行复杂的太空任务至关重要，也是探测器实现着陆月球表面的关键。这种发动机代表了中国在航天技术领域的自主创新能力，填补了国内在变推力发动机领域的空白，综合性能达到了世界领先水平，为我国深空探测任务提供了坚实的技术保证。在嫦娥六号探测任务中，7500N变推力发动机安装在着陆器上，用于着陆器/上升器组合体在月球表面软着陆，一共工作900秒，消耗将近两吨的推进剂。

第三种，3000N发动机具有高性能、高可靠、轻质小巧等特点，具备复杂空间环境下多次启动能力，为地月和月地间的大范围转移、月面起飞发射保驾护航。嫦娥六号探测任务中，一台3000N发动机安装在轨道器上，在全任务周期中用于变轨和近月、近地制动，多次启动，消耗近2吨推进剂；另一台安装在上升器用于月面起飞，一共工作360秒，消耗近400公斤推进剂。

此外，嫦娥六号任务还安装和应用了比较多的姿态控制发动机。除了长征五号第二级火箭采用4台300N、4台150N和2台60N发动机外，嫦娥六号探测器的四个部段（轨道器、返回器、着陆器、上升器）也安装了系列姿态控制发动机，推力有150N、120N、25N 和10N 这四种。

嫦娥六号探测任务为什么要采用上百台发动机？

现在可以回答最开始的问题了：嫦娥六号探测任务为什么要采用上百台发动机？

这可以从两方面来理解：

一方面，火箭分为三级，嫦娥组合体分为四部分，发动机要推举的重量变化近千倍，每一部分都需要有独立的发动机系统，需要的推力需求和使用方式差别很大，因此发动机的种类也就多；

另一方面，不同飞行段姿态控制需要不同方向的发动机来保证。这一点，可以参照飞机飞行时的姿态控制来理解：飞机重量、速度变化范围较小，除了发动机，还采用了副翼、襟翼、前缘缝翼、扰流板等多种气动结构件的组合，来实现飞行姿态控制。而航天飞行器除了主发动机提供速度控制外，还需要发动机组合来实现飞行姿态控制，例如轨道器有8台50N、18台25N、12台10N共38台发动机，上升器有8台120N、12台10N共20台发动机。

可以说，航天发动机注定是多种多样、变化多端的。

作者丨吴宝元 航天推进技术研究院研究员