2019年12月27日是值得中国航天人铭记的日子，因为在这一天，我国第三枚长征五号火箭（昵称“胖五”）顺利发射，这不仅让我们感慨与懂得“胖五”经历了许多、也成熟了许多，更让我们自豪与坚信在这一天之后，“胖五”又回来了，长征五号以及长征五号B等新一代运载火箭将担起中华民族探索太空更大舞台、更高高度的重任，把我国火星一号、嫦娥五号与六号、空间站等陆续送入太空。
航天界常言“运载火箭的能力有多大，航天的舞台就有多大”，充分说明运载火箭对刷新进军太空高度的重要性。
同样，业内的另外一句行话“发展航天，动力先行”，进一步诠释了动力系统作为运载火箭“心脏”的重要性。“胖五”的成功，离不开“心脏”三大系统——YF-77液氢/液氧火箭发动机、YF-100液氧/煤油火箭发动机、YF-75D液氢/液氧火箭发动机——高效稳定工作。“胖五”也正是因此三大系统的“新”而闻名。
总体上看，“胖五”为两级半火箭，动力系统由助推器动力系统、芯一级动力系统、芯二级动力系统和辅助动力系统四个部分组成。
- 芯级和助推器动力系统主要包括发动机、贮箱增压系统、推进剂输送系统、发动机预冷系统、加泄排气系统和箭地连接等系统。
- 芯一级动力系统：2台YF-77液氢/液氧发动机，单台真空推力70吨。
- 芯二级动力系统：2台YF-75D液氢/液氧发动机，单台真空推力9吨。
- 助推器动力系统：4个助推器分别配置2台YF-100液氧/煤油发动机，单台地面推力120吨。
- 辅助动力系统主要用于芯二级滑行段和星箭分离前的姿态控制、滑行段推进剂管理、星箭分离前末速修正，系统由发动机机组、氦气瓶和囊式贮箱等组成。
相对于我国现役长征系列运载火箭一、二级与助推级动力系统主要采用常温有毒的四氧化二氮/肼类燃料推进剂发动机，长征三号系列火箭三级动力系统采用低温的小推力、低室压液氢/液氧推进剂发动机，“胖五”的“心脏”系统可谓发生了“质”的变化，即采用的是绿色环保、高性能的液氢/液氧和液氧/煤油推进剂，使用的是新型YF-77、YF-100和YF-75D发动机。
- YF-77发动机：我国最大推力的氢氧发动机，我国目前唯一一台地面点火启动可直接入轨的氢氧发动机，采用燃气发生器循环。两个显著特点：一是性能高，和现役的氢氧发动机相比推力提高了约9倍，和其它推进剂相比单位质量的液氢/液氧反应放出的能量较高；二是氢氧推进剂无毒无污染，氢氧燃烧产物是水、零碳排放。
- YF-75D发动机：我国首个采用闭式膨胀循环的高性能氢氧发动机，我国第三代上面级液氢/液氧火箭发动机，具备高空多次启动能力。此前，其第一代及第二代分别为YF-73、YF-75，其中，YF-75用于长征三号甲系列运载火箭的第三级，采用燃气发生器循环。除用于“胖五”外，YF-75D也可用于长征七号（3级地球同步转移轨道版本）第三级动力系统。
- YF-100发动机：我国新一代大推力高压补燃（又称分级燃烧循环）液氧/煤油发动机，我国现役推力最大的液体火箭发动机。与常规发动机相比，液氧/煤油推进剂无污染，比常规肼类燃料推进剂便宜60%，且易于存贮和运输。除用于“胖五”外，YF-100还用于长征六号（2015年9月20日成功首飞）的芯级模块、长征七号（2016年6月25日成功首飞）的芯级和助推器模块。
动力系统之所以称之为火箭的“心脏”，与其重要性、复杂性、研制难度紧密相关。“胖五”动力系统工作时，贮箱增压、推进剂输送、发动机预冷、燃烧室内推进剂喷雾燃烧等过程，涉及高温、高压、大流量流动、相变等物理化学过程，极其复杂，可谓“牵一发而动全身”。
YF-77、YF-100大推力火箭发动机推进剂在燃烧室中经过数百个喷嘴的喷雾、混合、蒸发和燃烧，化学能转换为热能，热能通过喷管转换为动能，产生推力。燃烧室内压力较高，其喷雾燃烧过程是在超临界条件下进行，且燃烧过程中的很多参数对燃烧室压力振荡比较敏感，保证其高效稳定工作是火箭发动机研制与火箭成功发射的关键。
“胖五”动力系统的研制尤其是YF-77、YF-100的研制可谓难关重重……但也可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，“胖五”复飞，王者归来！
- YF-77发动机：2001年正式立项后，发动机关键技术攻关全面展开。但在2007年左右遭遇了国内外罕见的重大技术障碍，先后四次试车结果不理想，直接影响到整个研制进展。经多次改进效果仍不理想后，研制人员改用“一大四小”的改进方案：使用隔板喷嘴，改进推力室结构，提高面板连接强度，终于在2009年12月，发动机转入试样研制阶段。历经十年艰苦攻关，至2012年8月17日，YF-77发动机关键技术全部突破，实现了我国氢氧发动机推力由8吨到70吨（真空）的跨越。
YF-100发动机：2000年正式立项后，刚开始进行的几次整机试车都失败了。但研制人员相继攻克了补燃循环自身启动等技术难关，先后实现了全系统额定工况不下台连续三次1200s和单次600s长程、变工况、摇摆试车成功等重大突破，发动机技术状态趋于稳定，并于2012年5月28日通过验收。YF-100填补了我国高压补燃循环发动机的技术空白，标志着我国成为继俄罗斯之后第二个完全掌握液氧/煤油高压补燃循环液体火箭发动机核心技术的国家。
“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。”作为一名航天人和参与者深深地感到，航天人孜孜不倦的拼搏与创新，在铸就YF-77、YF-100等工程研制攻坚克难辉煌成果的基础上，正夯实基础、开拓创新，阔步迈向更大推力液氧/煤油火箭发动机、液氢/液氧火箭发动机、液氧甲烷发动机的成功研制，为不断刷新进军太空的中国高度提供强有力支撑。
作者：丰松江博士
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：我们的太空
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