以科技创新奏响中国航天腾飞的最强音

历任七机部液体火箭发动机研究所副所长、所长，航空航天工业部067基地主任兼总工程师、研究员，中国航天工业总公司067基地科技委主任，中国航天工业总公司科技委常委、副主任，现任中国航天科技集团公司六院科技委主任。1992年被授予“全国五一劳动奖章”“全国优秀科技工作者”称号；1995年当选为中国工程院院士、国际宇航科学院通讯院士；2002年当选为国际宇航科学院院士，同年获何梁何利基金科学与技术进步奖；2003年当选为国际欧亚科学院院士；2013年荣获集团公司2012年度航天功勋奖。

作为液体火箭发动机专家，半个多世纪以来，张贵田院士一直从事液体火箭发动机设计与研究工作，是提出用液相分区方法解决发动机不稳定燃烧难题的第一人，他主持的液体火箭双组元微型发动机和高空发动机，双双填补了国内外市场的空白。他曾先后担任了多种战略导弹和“长征”系列运载火箭发动机的技术负责人，为我国液体火箭发动机技术的发展作出了重要贡献。近日，本刊记者有幸对张贵田院士进行了专访，听他讲述了在长达半个多世纪的悠悠岁月中，到底是什么力量促使他以科技创新奏响中国航天腾飞的最强音？

记者：2015年9月20日，我国新型运载火箭长征六号在太原卫星发射中心点火发射，成功将20颗微小卫星送入距离地球524千米的太空，创造了中国航天一箭多星发射的新纪录。托举此次发射成功的火箭动力，就是您亲自带领的中国航天科技集团航天六院的液氧煤油发动机研制团队研制的，这不仅标志着我国新一代运载火箭液氧煤油发动机的研发成功，也标志着我国液体火箭动力翻开了更新换代第一页。您能否为我们谈谈我国新一代大推力液氧煤油发动机研制工作呢？它的研制成功对我国航天事业而言又意味着什么呢？

张贵田：假如把火箭比喻成人体，那么发动机就是火箭的心脏；假如把火箭比喻成飞鸟，那么发动机就是火箭腾飞的翅膀。火箭发动机是目前世界各国实现宇宙飞行的唯一动力装置，其最大特点就是该装置既自带燃料，又带氧化剂，无需空气中的氧来助燃。所以，它是大气层内、外必不可少的装置。早在20世纪80年代中期，我们就开始进行新型大推力液体火箭发动机的研制工作。与传统火箭发动机相比，此型火箭发动机具有很多突出特点：一是廉价物美、绿色环保。在新一代发动机研究之初，我们就通过比较煤油、甲烷和丙烷等几种推进剂，确定了将代表技术发展趋势的液氧煤油作为推进剂。但火箭“喝”的煤油不同于一般煤油，具有密度大、热值高等特点，经过努力，我们终于研制出了国产的火箭煤油。液氧煤油发动机推进剂具有来源广泛、价格低廉的优点，平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级。二是技术独特，从一定程度上提升了火箭的舒适度，并使得普通人游太空的梦想可望在不久的未來得以实现。三是该发动机集多项新技术于一身。比如，该发动机采用的补燃循环是一种闭式循环，可以使全部推进剂的化学能得到充分释放，提高了发动机的性能。此外，它还具有先进的自身启动技术。我国以往的发动机需要依靠专门的火药启动器等装置，而液氧煤油发动机实现了自身启动，二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。大范围推力调节技术是它的另一个优点。为了提高运载火箭的性能和适应性，液氧煤油发动机具有大范围推力调节能力，如同自动挡的汽车，可实现无级变速。对于载人航天来说，通过推力调节可以有效降低火箭飞行中的加速度，提高航天员的舒适度，降低对航天员的体能要求，使普通人也有望遨游太空。四是用途广泛，可多次进行试车，并进行模块式组合。传统火箭发动机生产出一批后，试验人员会随机抽取其中的一台或几台进行试车，来推断这一批是否合格。而液氧煤油发动机具有多次工作的能力，发动机生产出来后可以进行试车考核，通过磨合试验后重新校准、检查，合格后再交付使用，使发动机的精确度和可靠性得以保证。同时，可以在此技术基础上研制重复使用的发动机，使运载火箭实现可重复飞行。液氧煤油发动机还能替换现役火箭发动机，不仅能实现现役火箭的绿色环保，还能大幅提升火箭的运载能力。通过发动机的研制，我国突破并掌握了多项新工艺和新材料，研制开发了近50种新材料，突破了30多项关键工艺。五是该技术可以促使我国动力升级，并使得发动机单台推力提升60%，极大提升我国进入空间的能力。除了长征六号火箭以外，新一代运载火箭家族中的长征五号、长征七号也将使用120吨的液氧煤油发动机。120吨级液氧煤油发动机的研制成功，将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定坚实的基础。此外，我们在进行480吨级等更大推力的液氧煤油发动机研制，未来将建立满足我国航天事业发展需要的液氧煤油发动机型谱。

至于说新一代大推力液氧煤油发动机研制成功的意义，首先，我认为此型发动机绿色环保，不仅代表了我国航天发展的新水平，而且实现了我国火箭动力从常规向绿色无毒的巨大跨越。其次，该发动机的试验成功，不仅标志着我国航天发动机研制工作取得了突破性进展，也为我国正在研制的最大推力火箭发动机等提供技术保障作用，并对支撑后续空间站建设、载人登月及深空探测具有重要意义。第三，该发动机的研制成功，带动了相关技术的发展，特别是对民用航天来说，带动了材料、密封等技术的发展。第四，在军民融合发展战略下，大推力液氧煤油发动机的研制成功不仅仅是我国航天技术的新突破，而且将对我国石油、化工、传热、热工、流体等行业实现转型升级发挥不可小视的作用。

记者：您曾参加过我国多个运载火箭的研制工作。请问在短缺经济时期，我国航天科技人员是怎样克服重重困难，实现东方红一号卫星飞向蓝天的梦想的呢？

张贵田：半个多世纪前，中国人决定要研制自己首颗卫星的时候，研制发射卫星用的运载火箭发动机便成为重中之重。发射“东方红一号”的火箭，被命名为“长征一号”，它是一枚以中远程一、二级液体火箭发动机为基础，增加一个使用固体火箭发动机的第三级，组成了三级运载火箭。当时，我担任了二级发动机（也是我国第一台中等推力的高空发动机）主任设计师。在火箭发动机研制过程中，我国物质条件匮乏，科学技术基础薄弱，还受到大环境的影响，面临许多困难。作为一名技术人员，我的使命就是要敬业、奉献，即使面临一系列困难，但只要想到祖国有需要，就能保持足够的耐心和信心去克服。长征一号火箭一级和二级采用的是东风导弹的发动机，很多研制工作从1961年就开始了，一直到1970年火箭发射。因为长征一号火箭的上面级发动机属于高空发动机，高空发动机包含了一些新技术。如由于当时我国没有条件进行高空点火试验，只能在真空罐里进行试验，看看两种液体相撞之后的燃烧爆炸情况如何，仅在解决发动机高空点火这一问题上，我们就做了大量工作。又如高性能大喷管的研制，推进剂燃烧产生热能之后，如何将热能尽可能地变成动能，这就需要研制一个高性能大喷管，如果采用一般材料，一方面质量大，会浪费更多的推进剂，另一方面会扛不住压力。最终我们通过科学分析和反复试验，终于解决了发动机高空点火和在地面上测定发动机的高空特性这两大难题，掌握了高空大面积喷管的设计方法和工艺技术，也才能圆满完成我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的发射任务。

记者：在您看来，我国火箭发动机技术可分为几个阶段，并取得了哪些成就呢？

张贵田：我国火箭发动机技术主要分为三个阶段。一是仿制和改进阶段。当时我国引进的是前苏联导弹及发动机系统，并对此进行改型，研制出了我国东风二号火箭。二是自行设计阶段。当时包括前苏联在内，均对我们实施封锁，完全是凭借着我们自身的力量完成该阶段发动机研制的。正是由于我们的坚守和不懈的努力，中国的发动机才有了自己的一席之地和话语权。三是创新提高阶段。我们研制出了新型液氧煤油、液氢液氧发动机。总体来说，我国液体火箭发动机的研制一直牵动着中国航天和全中国人民的心，不仅保障了航天器的在轨长期的可靠运行，而且顺利完成了党和国家交给我们的发射任务，标志着中国人建成了覆盖亚太的拥有完全自主知识产权的卫星导航系统。

记者：与美国、俄罗斯等国家的火箭发动机相比，目前我国火箭发动机技术处于一个怎样的水平呢？我国火箭发动机技术的特点和优势是什么？

张贵田：我认为，我国的发动机技术与美国和俄罗斯相比，仍然存在着一定的差距。但是，目前我国火箭发动机技术的有些项目已达到了国际先进水平，同时也有着我们自己的优势。我国火箭发动机的特点在于满足国家的任务需求，根据我国的经济实力和技术水平来开展发动机的研制，不断推动发动机技术的进步。各国的液体发动机都有自身的特点，我们不会完全照搬俄罗斯或美国发动机，而是取长补短，在我们自主研制的前提下，兼具俄罗斯和美国发动机的特点和优点。目前，發动机都在朝着无毒无污染方向发展。与国外相比，我国的发动机更为廉价。美国发动机占运载火箭成本的30%，而中国只占20%，成本相对低。

记者：液氧煤油发动机与液氢液氧发动机之间有什么不同呢？

张贵田：我认为液氧煤油发动机和液氢液氧发动机二者之间可以说是各有不同、各有特点。液氢液氧发动机推进剂的比重较小，但推进剂贮箱大，其结构重量大；液氧煤油发动机推进剂的比重较大，但推进剂贮箱相对较小，其结构重量小。从性能上看，目前我国液氢液氧发动机的比冲达到440秒左右，液氧煤油发动机的比冲是330秒左右，前者性能更优。因此，综合考虑，液氢液氧发动机更合适作为上面级。如果作为下面级，虽然其比冲高，但是它本身体积很大，而且不能完全充分利用燃烧效果。液氧煤油作为下面级更有优势。

记者：在液氧煤油发动机研制过程中，多项工艺技术形成了航天技术应用产品，将在军民融合发展中发挥作用。您能否介绍一下这方面情况？

张贵田：液氧煤油发动机的研制成功，是几代航天人刻苦攻关，不懈努力的结果，意味着我国在无毒无污染运载火箭领域的关键技术取得重大突破，航天动力进入了绿色环保新时代，推动了我国加快由航天大国迈向航天强国的步伐。通过液氧煤油发动机的项目研制工作的开展，我们还申请了多项国家专利，并进一步增强了与全国各大院所的交流与沟通，促进了技术进步，并将在我国许多行业中得到广泛运用。比如，在热工方面，目前我们正在同北京市政府有关部门洽谈合作事宜，进一步推动我国发动机项目在研制过程中所涉及的热能问题得到相应的解决。在石油、石化设备方面，诸如石化采用的保险装置或阀门等，也要采用液氧煤油发动机这类技术。此外，项目研制过程中所采用的高强度的合金钢、高技术密封装置、液体发动机泵的流体力学技术等，都能够为我国民用航天服务。

因此，我认为航天事业既象征着我们国家的经济实力和综合国力，同时也是国防实力的集中运用与体现。今年10月，国家国防科技工业局发布，中国将力争在2020年左右实现重点突破，加速迈向航天强国；2030年左右实现整体跃升，跻身航天强国之列；2050年之前实现超越引领，全面建成航天强国。此外，现代航天技术的起步尽管源于军事，但其成熟的过程与空间商业化的兴起密不可分。所以，军民融合是航天发展的必然趋势。相信在不久的未来，这类技术将在推进军民融合深度发展和国民经济建设中发挥举足轻重的作用。