从八十年前纳粹德国的V-2火箭，到现在各国的运载火箭，所用的液体火箭发动机有品种多样、适用性好、可靠性高、综合性能不断提高、新技术层出不穷等特点。作者是中国两弹一星事业建设者之一，年事渐高，有必要把经验、认识和期望写出来，供后人参考。
1常用的推进剂
1.1液氧基无毒低温推进剂
液氧(O2)是沸点为零下摄氏度的低温氧化剂，虽然使用不太方便，但%含氧量能使发动机比冲性能高，因而是使用最早和最多的氧化剂。对应的燃料是乙醇(酒精)、煤油、液氢(H2)、甲烷(CH4)等。此类无毒推进剂的燃烧温度高和热流密度大，增加了燃烧室设计难度。V-2火箭使用中等浓度75%乙醇，可以降低燃烧温度，但比冲低。为此，我国东风一号和东风二号导弹改用高浓度92%乙醇。
中国使用液氧煤油推进剂的YF-高压补燃发动机注：YF-高压补燃发动机海平面推力吨和海平面比冲s。
1.2四氧化二氮硝酸基有毒可贮存推进剂
四氧化二氮(N2O4)可以同硝酸(HNO3)以任意比例混合，含20%至27%四氧化二氮的红色发烟硝酸适合用作机动发射导弹的氧化剂。早期燃料是毒性较小和比冲较低的胺类燃料，用于地对空导弹等。我国东风三号、东风四号导弹和长征一号运载火箭用的是毒性较大和比冲较高的偏二甲肼燃料。比冲更高些的四氧化二氮/偏二甲肼则用于东风五号洲际导弹和长征二、三、四号运载火箭的主发动机。
中国使用四氧化二氮/偏二甲肼的YF-20发动机注：YF-20发动机海平面推力71吨和海平面比冲s。
1.3过氧化氢基无毒可贮存推进剂
过氧化氢(H2O2)是无毒可贮存氧化剂，也由纳粹德国最先使用。催化分解80%浓度过氧化氢生成约摄氏度的富氧水蒸汽，用于驱动V-2火箭发动机的涡轮泵。更高浓度过氧化氢同以甲醇和水合肼为主要成份的有毒燃料组合，是Me-火箭战斗机用HWK-A2发动机的自燃推进剂。该飞机马赫数0.83，高度12公里，一次飞行时间只有8分钟，共生产架，曾参加实战。上世纪五、六十年代美国研制X系列火箭飞机，用过AR2-3过氧化氢发动机，是催化分解90%过氧化氢生成余摄氏度的富氧水蒸汽与煤油进行燃烧。
纳粹德国使用过氧化氢发动机的Me-火箭战斗机2好的适用性
2.1满足任务需要
火箭发动机是火箭导弹的动力装置，必须满足总体任务的需要。只有面对现实，千方百计想办法符合要求，才能完成好火箭导弹的推进任务。美国前总统肯尼迪就任后提出在十年内完成载人登月任务。韦纳·冯·布劳恩总设计师迅速制定土星5号运载火箭及其发动机的设计方案。一级火箭并联五台吨推力的F-1液氧煤油发动机，二级火箭并联五台90吨推力的J-2氢氧发动机。用的是已有的常规火箭发动机技术。由于F-1的推力比已有的H-1发动机推力大七倍多，除主要性能参数雷同外，集中解决大尺寸推力室的抑制不稳定燃烧问题。结果按时完成火箭及其发动机的研制任务，创造载人登月的奇迹。
美国土星5号载人登月运载火箭及其F-1发动机2.2创新与稳妥兼顾
纳粹德国研制V-2火箭及其27吨推力的发动机，是史无前例的创举。在韦纳·冯·布劳恩总设计师领导下有不少创新技术。如为解决燃烧室壁不被0摄氏度高温的燃气烧毁的问题，首创了推力室夹层冷却套结构和三道液膜内冷却带结构。与此同时，还采用2MPa低燃烧室压力、用再生冷却性能较好和降低燃烧温度的75%乙醇等较保守稳妥的措施。他们还充分利用已有的一吨多推力小燃烧室，并联做成有18个预燃室的推力室。虽然结构尺寸超大和笨重，但研制快和工作可靠。
纳粹德国首创的V-2火箭发动机2.3从实际出发
近代最先进适用的液体火箭发动机之一是俄罗斯的RD-高压补燃液氧煤油发动机，双推力室发动机的推力为吨级。美国埃隆.马斯克去莫斯科洽谈引进该发动机技术未果，他的SpaceX公司就从实际出发研制猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭及其梅林-1D液氧煤油发动机。单机推力只有86吨，分別釆用9机和27机并联，且用几十年前的常规系统。结果把这种能垂直降落回收多次重复使用的火箭及其发动机研制得很好。年11月15日已顺利完成向国际空间站运送4名宇航员的龙飞船发射任务。
我国的几家民营航天企业正在研制单机推力低于吨的常规液氧甲烷发动机及推进的运载火箭，也是从自已的实际出发。投资相对较少，研制周期相对较短。
俄罗斯的RD-高压补燃液氧煤油发动机注：RD-高压补燃液氧煤油发动机真空推力吨和海平面比冲s。
美国猎鹰重型火箭及其27台梅林-1D发动机注：27台梅林-1D发动机海平面总推力吨和海平面比冲s。
3提高可靠性
3.1重要的可靠性
液体火箭发动机有高温高压燃烧的推力室和高速转动的涡轮泵，工作条件恶劣和负荷大，容易产生故障和破坏，导致火箭导弹飞行失败。最典型的例子是前苏联与美国进行载人登月工程竞争，研制了比土星5号运载火箭更大些的N-1运载火箭，一级并联30台推力吨的NK-15发动机。结果四次发射都在一级工作时失败，故障原因差不多都与发动机有关，致使该国的载人登月工程在耗费巨资后被取消。
液体火箭发动机必须有很高的可靠性，尤其是在多机并联和多次重复使用的情况下，单机可靠性要达到0.或更高，才能满足要求。
前苏联的N-1运载火箭及其NK-15发动机3.2提高可靠性的办法
首先要牢固树立质量和可靠性第一的思想。设计发动机时要综合考虑任务要求、性能指标、技术基础、试验设备、热试车台、生产工艺、技术协作、研制周期、经费开支等，以及原材料和外协件的供应和筛选。还要深入了解和参考外国研制的情况和经验教训。发动机总体、系统和各组合件及所有零件都要精心设计，落到实处，既有先进性，又切实可行。在生产、试验和热试车过程中，善于发现问题和认真解决问题，一丝不苟，严格要求。对于设计、生产、试验和热试车，都要充分发挥质量管理和检验部门的作用，严格质量管理和产品检验。不放过任何疑点，出现问题和故障要三不放过：不找到原因不放过，不分清责任不放过，不落实改进措施不放过。由此使得故障归零。
中国用8台YF-20发动机推进的长征二号F载人火箭升空3.3发动机并联单机不宜过多
按简单的可靠性计算公式A=B^cd进行估算，在单机可靠性B=0.，并联单机数c=10，重复使用次数d=10，发动机可靠性A=0.。如果并联单机数增加到c=20至40，发动机可靠性只有B=0.至0.，已不允许这样交付飞行使用。
发动机并联方式也很重要。像前苏联的N-1发动机那样独出心裁对30台单机进行两圈环形布置，既不便于发动机的整机热试车，又不便于控制火箭的飞行方向，再加上单机可靠性未必达到0.，致使可靠性降低而连续失败。
我国已有火箭发动机的单机并联数未超过10台。并联方式是双向摇摆的双机并联、单向摇摆的四机并联、长征二号F火箭的4个助推器单机加一级火箭4机共8机并联，长征五号火箭的4个助推器双机加芯级火箭双机共10机并联。这些都是很合理的。
尽管美国重型猎鹰火箭已成功进行并联27台单机的第一次飞行试验，作者并不赞成使用过多的单机并联以及没有技术继承性的并联方式。俄罗斯的联盟号运载火箭有四个助推器各用4台海平面推力85.6吨的RD-A液氧煤油发动机并联，芯级火箭是用4台真空推力94吨的RD-A液氧煤油发动机并联。这种20机并联方式可以参考。
并联单机数很多时应当采用智能技术的冗余设计。飞行时通过多个参数的实时检测快速发现单机的故障苗头并自动关机。随即增加其它单机的推力，以保持总推力基本不变。
俄罗斯联盟号运载火箭及其20机并联的发动机布置3.4发动机重复使用次数不能过多
美国猎鹰9号运载火箭开创了火箭垂直降落回收重复使用的先例。到目前为止，该火箭有的液氧煤油发动机已重复使用9次。美国航天飞机所用的SSME氢氧发动机有的已重复使用19次。但是这两种液氧基火箭发动机的燃烧温度最高达3摄氏度，工作条件很恶劣，尤其是煤油的再生冷却性能较差，易过热结焦，多次重复使用并非易事。每重复使用一次都要类似航空发动机的大修，进行拆解、检查、修复或更换零件。重新组装和试验后，还要通过适当工作时间的热试车考验。因此，火箭发动机的重复使用费时费钱，代价不小。尤其是重复使用次数越多，代价会越大些。在没有找到好的解决办法前，火箭发动机重复使用次数不能过多。
美国杰夫·贝佐斯属下的蓝色起源公司研制的BE-4液氧甲烷发动机，海平面推力吨，可变推力和可回收多次重复使用。多机并联用于Vulcan重型运载火箭，不久将发射追梦者飞船和月球车，并有载人登月的计划安排。
美国蓝色起源公司的BE-4液氧甲烷发动机3.5可靠性评定
液体火箭发动机的可靠性评定主要依靠地面热试车。一种型号发动机的累计热试车时间一般不应少于秒。为了使发动机既能达到很高的可靠性，又不使热试车次数过多和累积热试车时间过长，热试车要从难从严并尽可能模拟到飞行情况。以荣获国家金奖的YF-20系列发动机为例，在结构状态稳定后，按照李伯勇总师的安排，不止一次成功进行了三高的长程热试车考验：推力超出额定值的15%，推进剂混合比是公差范围的上限，泵前压力取飞行过载时的最大值，一次热试车的时间是飞行工作时间的六倍，热试车全程进行不同频率和幅度的YF-20四机摇摆。通过这种考验的发动机具有很高的可靠性，在飞行工作时就能做到发发成功。经过该系列发动机可靠性增长的神箭，把14人次中国航天员安全送入太空。
我国的其它发动机也都很可靠。除有的型号在研制前期出现过飞行故障并完全排除外，一直都在火箭飞行中表现出色。以YF-75氢氧发动机为例，到目前已成功完成次飞行任务。新一代运载火箭用的YF-高压补燃液氧煤油发动机，一次飞行就多达8台助推，多次飞行从未出现过故障。
中国YF-75氢氧发动机在进行热试车注：YF-75氢氧发动机真空推力8吨和真空比冲s。
4提高发动机综合性能
4.1提高比冲等性能参数
比冲定义为发动机推力(千克力)除以发动机每秒钟消耗的推进剂质量(千克)。主要影响因素是：推进剂种类和氧化剂与燃料的混合比，分级燃烧循环(高压补燃系统)或气体发生器循环(常规系统)，燃烧室压力和喷管面积比。地面比冲已由V-2发动机的s增加到YF-发动机的s，真空比冲已达到YF-75D发动机的s。提高比冲很重要，但不要盲目追求。能用常规系统就不要用高压补燃系统。燃烧室压力适当提高就可以，没有必要非得是20MPa或更高。燃烧效率也不要非0.98不行，要先确保燃烧稳定和燃烧室壁在长时间工作时不烧坏。总之，为了减少研制难度和提高可靠性，必要时可适当降低些比冲。
对于助推和一级火箭，提高推进剂平均密度和发动机密度比冲也很重要，可以缩小运载火箭的尺寸和体积，不可忽视。
发动机推重比(推力除以结构质量)是又一个性能参数。能够简化设计并把每一个零件的质量(重量)控制住，也是必要的。但不可过于强调提高此参数值，各个零件的强度必须有足够的安全系数，确保工作可靠。
中国长征五号运载火箭注：中国长征五号运载火箭用YF-、YF-77和YF-75D发动机推进
4.2降低振动分频加速度和综合加速度值
设计发动机推力室，一般都会采用隔板、分区喷嘴、声腔等抑制高频不稳定燃烧的措施。每台发动机进行热试车时，都要在推力室头部等处设置几个传感器进行机械振动测量。对振动测量结果进行数据处理，得到突出频率(分频)加速度值和综合加速度值。最理想的情况是没有突出频率和综合加速度值小于g，但很少遇到。一般都会出现一个或几个突出频率。根据燃烧室直径和长度的尺寸及燃气声速计算值，可以计算出推力室的一阶切向、二阶切向、一阶径向、一阶轴向等声学振型的固有频率。测量的突出频率值一般会与计算频率之一吻合。如果不吻合，就要高度警惕，看是否发生涡轮泵转子、气体发生器或其它零组件的共振。
当分频加速度值超过一g，综合加速度值超过一g，一般会伴随产生不同程度的零件裂纹、泄漏、撕裂、着火、爆炸等故障。这就需要有针对性的采取减振和抗振措施，减小振源的振动，提高结构抗振能力，从根本上排除故障。交付发动机的理想振动数据是分频加速度小于20g，综合加速度小于g，无不明突出频率。
排除了偶发振动破坏故障的中国YF-77氢氧发动机注：YF-77氢氧发动机真空推力71吨和真空比冲s。
4.3确保推进剂安全使用
无毒可贮存推进剂使用方便，但80%以上浓度过氧化氢遇到杂质、高温、強冲击、泄漏等易产生分解并引发爆炸，必须严格按规范安全操作和使用。最好是使用80%以下浓度过氧化氢。
有毒可贮存推进剂使用较方便，但毒性较大，要注意防护和保健。作者和同事们曾长期接触这种有化学毒性但无放射性的推进剂，并引发了消化系统等疾病，但至今活到80岁乃至90岁的都不乏其人，子孙皆健康，不必太紧张。
液氧、液氢等低温推进剂虽然使用不太方便，但长期使用已积累丰富经验，只要按规定操作使用即可。
美国的SLSBlock2新载人登月火箭设想图注：SLSBlock2芯级火箭用4台海平面推力为.7吨的RS-25D/E高压补燃氢氧发动机推进
4.4增加发动机耐用性
与发动机耐用性相关的数据是：同一台单个发动机的热试车次数、一次热试车的最长时间、累积工作时间(寿命)等；同一台并联整机的热试车次数、一次热试车的最长时间、累积工作时间(寿命)等；参加热试车的单机总数和累计总试车时间；该型号发动机成功飞行的次数和工作时间。有这些真实的数据，不但有助于准确评估发动机的安全系数和可靠性，而且结合贮存试验能判定发动机耐用性。
中国长征一号运载火箭用的YF-2发动机，是并联4台海平面推力26吨的YF-1发动机，就很耐用。超过保质期的发动机进行热试车成功，为延长使用期提供依据。其它型号发动机也经久耐用。
中国首个自行设计的YF-2发动机注：YF-2发动机四机海平面推力吨和海平面比冲s。
4.5提高发动机经济性
发动机的成本核算涉及面广，比较繁杂，不是一件能轻易准确完成的事。好在有经验丰富的财会人员和充足的时间，最终能给出合理的数据。提高发动机经济性，是与研究院、设计所、生产厂和试验站的很多相关人员密切相关。大家必须努力做好本职工作，提高效率，缩短发动机研制周期，想方设法减少开支。很重要的是要确保发动机产品质量和飞行成功，因为一旦飞行失败造成的经济损失和政治影响是巨大的。
中国YF-75D膨胀循环氢氧发动机注：YF-75D膨胀循环氢氧发动机真空推力9吨和真空比冲s。
5创新技术展望
液体火箭发动机的八十年发展，随着各型号研制成功，整机总体、系统和各组合件都有很多新技术。中国过去就有很多技术成果和众多无名英雄。可喜的是新一代航天人正在脚踏实地工作，坚持创新发展，不断取得新的成绩。作者作为中国第一代航天人，退休后在密切
