航天六院院长刘志让在进行火箭发动机试车前检查。 受访者供图
南都讯 近年来，我国航天事业取得了飞跃式发展。
长征系列运载火箭在2018年3月30日凌晨完成第269次飞行，成功发射了北斗三号工程第四组卫星。据中国载人航天工程办公室介绍，天宫一号目标飞行器在完成历史使命后，即将坠入大气层烧毁。以长征五号为代表的新一代运载火箭也已成功首飞，使我国实现了从传统运载火箭到新一代运载火箭的转变。
中国新一代运载火箭发射能力跨越式提升，伴随着的是火箭燃料由有毒燃料改为无毒液体燃料，这就对火箭发动机有了更高要求。中国航天科技集团有限公司第六研究院又名航天推进技术研究院，是我国液体火箭发动机研制中心和专业抓总单位，承担着为我国运载火箭和导弹武器提供液体火箭发动机的重任。近日，南都记者专访十三届全国人大代表、航天科技六院院长刘志让，他向南都记者介绍了以我国新一代运载火箭为代表的航天器对火箭发动机的需求情况，以及我国火箭液体动力的未来研发任务。
新一代发动机突破73项关键技术
南都：新一代运载火箭长征五号2016年11月成功首飞，从常规有毒液体燃料火箭发动机到无毒液体燃料火箭发动机研制成功，120吨级液氧煤油发动机突破了哪些关键技术？
刘志让：在120吨级液氧煤油高压补燃发动机研制成功之前的50多年里，航天六院自主研制了100多种不同型号、不同性能、不同用途的液体火箭发动机及空间推进系统。在新一代大推力120吨级液氧煤油发动机研制中，我们突破了73项关键技术，研制了50余种新材料，获发明专利113项，成功应用了以下几项独有技术。
首先是高压补燃技术，高压补燃循环将驱动涡轮后的燃气引入推力室再次参与燃烧，提高了能量转化效率，同时避免了发生器循环中驱动涡轮燃气直接排掉带来的损失，做到高效而又“滴水不漏”。其次是自身起动技术，发动机起动仅靠自身配置在数秒内使发动机爬升到额定工况，涡轮泵从静止加速到每分钟数万转，燃烧室温度跃升到3000多℃，不需要借助外界能源，做到可靠而又“自力更生”。再次是重复使用技术，发动机研制实现了单台产品不下台多次连续试车，参加飞行发动机均为工艺检验试车后交付，准确获得了性能参数，发动机实现了地面重复使用，做到先进而又“经济适用”。
航天六院研制的120吨级液氧煤油发动机已经在长征五号、长征六号、长征七号上开启工程化应用，将我国近地轨道运载能力从9 .5吨提升到25吨，是我国后续探月工程、空间实验室、空间站等发射任务的主要动力。
南都：研制火箭发动机经历了哪些艰难困苦？
刘志让：20多年前，当我们将液氧煤油发动机作为未来方向时，国内的工业水平与世界先进技术有着很大的差距，国内外都不看好，都认为我们搞不出来。确实，许多特殊材料、工艺设备和检验手段当时国内根本没有，我们跑遍了全国相关的高校、研究所，大家听说是为未来火箭配套研制，都给予了大量支持，我们用量不大，但研发起来颇费功夫。
研制过程中，失败与曲折常伴左右。众所周知，飞机起飞后和降落前的八分钟被称为“魔鬼般的八分钟”。液体火箭发动机也一样，起动和关机最复杂最难设计，尤其是起动过程，在几秒甚至零点几秒内，发动机的转动件要从静止状态加速到每分钟几万转的高转速，燃烧组件要从所处环境温度达到三四千℃的高温，在起动过程的百分之几秒甚至千分之几秒内，如果任何一个环节设计不好都可能导致发动机故障甚至爆炸。
2001年，120吨液氧煤油发动机先后进行了四次整机试车，经历了四次失败，其中两次因起动不正常导致发动机发生了爆炸，另外两次燃气系统烧毁。设计人员的压力，一次比一次大，每到试车前夕，就是设计人员压力最大的时候，大家晚上怎么也睡不着觉，一睡着就梦到试车失败的冲天火光和滚滚浓烟，试车时控制间里坐满了人，气氛紧张而压抑。
经过近半年的艰苦攻关，设计人员终于摸清了试车失败的根源和机理。在随后的试车中，发动机起动平稳，工作正常，按预定程序关机，起动过程与仿真结果良好吻合，液氧煤油发动机研制终于制服了“起动”这只拦路虎，取得了里程碑式的突破。
全力研制可重复使用发动机
南都：目前我国火星探测、小行星和类行星等的深空探测计划进展如何？
刘志让：我国在2020年至2030年间规划了4次深空探测任务，包括首次火星探测、小行星探测、火星取样返回，木星及行星系穿越。其中首次火星探测任务将于2020年底前完成火星探测器的发射，对火星进行环绕、着陆和巡视探测，后续探测任务的方案还处于论证之中，同步开展了动力系统的验证试车工作。
南都：以火星探测为代表的深空探测器动力系统，对发动机有怎样的需求和要求？
刘志让：探测器动力应该具备长寿命、高可靠性、宽温度范围适应性、深度变推力能力等特性，以适应深空探测器长期驻留、大温差环境、地外天地软着陆等任务需求。
南都：根据《2017-2045年航天运输系统发展路线图》，2030年重型运载火箭实现首飞，重型运载火箭对火箭发动机有怎样的要求？
刘志让：根据总体设计方案，重型运载火箭需要三型液体火箭发动机提供动力，具体包括500吨级液氧煤油发动机、200吨级和25吨级液氧液氢发动机，分别用作重型运载火箭的一、二、三级。三型发动机均采用无毒无污染的推进剂，比冲等核心指标均达到国际一流水平。单台发动机的最大推力量级提高到500吨级，更有利于火箭构型的优化。
南都：到2030年，以火箭发动机为动力的两级完全重复使用运载器研制成功，两级完全重复使用运载器怎么理解？
刘志让：重复使用运载器是实现“快速、廉价、可靠”进出空间的理想飞行器，是运载器的重要发展方向，也是我国重点研究的领域。从整体规划看，我国现役常规运载火箭和刚服役的新一代运载火箭都是一次性使用的火箭，火箭及发动机都不具备回收及再使用能力。
我国在制定重复使用发展规划的时候，结合实际，提出了“近、中、远”三步走策略，近期完成一次性火箭发动机的改进，实现火箭可控回收，解决落区安全及部分重复使用问题；中期针对新研火箭构型，开展重复使用液氧/烃类发动机研究，支撑垂直、水平等多种回收方案，实现一、二级火箭完全重复使用。
从发动机设计上看，一次性火箭发动机可能工作几分钟就完成了使命，而重复使用发动机的工作寿命需要大大增加。这就要求发动机设计理念从强度设计向寿命设计转变，并需要解决结构可靠性、健康管理、使用维护与快速检测、寿命预测与评估等技术。因此，为满足中期两级完全重复使用火箭的使用需求，重复使用发动机是在全新理念指导下研制的，与现役的火箭发动机区别较大，从现阶段开始研制，需要8年至10年的周期。
核热火箭开始关键技术研究
南都：到2035年，运载火箭实现完全重复使用，以智能化和先进动力为特点的未来一代运载火箭实现首飞，高性能智能化空间运输系统将实现广泛应用，这怎么理解？
刘志让：人工智能技术的迅速发展和逐渐成熟，已在许多高技术产品中得到应用并发挥巨大的作用，航天技术与人工智能技术的融合发展是未来的发展趋势。以重复使用运载火箭发动机为例，重复使用发动机需要具有健康管理、使用维护与快速检测、寿命预测与评估等能力。采用智能化技术，通过关键参数的监控、采集和分析，能够准确评估发动机的状态，预测工作寿命，预判薄弱环节，从而为发动机的重复使用提供极大的支撑。
南都：到2040年，未来一代运载火箭投入应用，空间运输系统实现长时间多次星际往返，组合动力两级重复使用运载器研制成功，核动力空间穿梭机出现重大突破，组合动力两级重复使用运载器、核动力空间穿梭机指的是什么，现在研究状况如何？
刘志让：组合动力是将航空发动机、冲压发动机和火箭发动机有机结合，实现大气层内外的接力或协同工作，满足飞行器快速、便捷进出空间要求。组合动力是未来空天技术融合发展的必然趋势，是实现飞行器水平起降天地往返的最可行的动力方案，也是需要发挥国内优势资源开展研究工作。
目前，经过前期的探索，航天六院在组合动力方面，发展思路逐步聚焦，技术方案不断收敛，试验设施不断完善，部分技术得到验证，形成了完整的研制策划和发展路线图。现已完成缩尺样机的方案论证和地面集成试验，突破关键技术后，将开展5吨级以上推力的大尺度发动机的研究，未来有望实现组合动力飞行器的服役。
核动力空间穿梭机的动力系统是采用核能作为能量源，主要包括核热式和核电式。
核热火箭发动机是用核反应堆取代化学推进发动机的燃烧室，利用核裂变产生的能量将推进剂加热至高温后通过超音速喷管膨胀产生推力。核电推进是利用核电源为大功率电推进提供能源。核热火箭推力量级较大，比冲为氢氧火箭的两倍以上，可用作空间飞行器的主动力。核电推进比冲高，但是推力量级较小，一般用作小规模空间探测器动力。
目前，我们正联合国内相关单位开展核热火箭动力的方案论证和关键技术研究工作，主要负责系统方案和氢路系统核心组件的研制工作。同步启动了空间核电源课题的研究，配合大功率空间电推进系统，后续将形成核热、核电等多种空间核动力方案，拓展了空间任务的适应性。
采写：南都记者 吴铭
