氢氧发动机相较常规发动机的优势何在？其为何被广泛用于高轨卫星发射？

氢氧发动机因其高推进效率、环保特性及化学特性的优势，在运载火箭中广泛应用。其比冲大、效率高、燃烧充分，可提供更多冲量，对提升运载效率意义重大。尽管存在物理特性如易泄露、沸点低、贮存环境苛刻等挑战，但仍是高轨卫星发射的首选推进剂组合。各国在氢氧推进技术上各有成就，中国在实现技术突破和工程应用方面取得显著进展。

得益于氢氧化学键的高度稳定性以及绝对绿色的燃烧产物，液氢液氧成为推进效率最高的火箭推进剂组合，普遍应用在运载火箭末子级，以及部分火箭基础级。相比常规四氧化二氮、偏二甲肼组合，氢氧推进的优势在于化学特性，比冲大、效率高、燃烧充分、产物平均分子量更小且环保，发动机消耗更少质量的推进剂可以提供更多的冲量，对于火箭末子级而言，节省一公斤推进剂可以多携带一公斤载荷，对于提升运载效率意义显著，这也是几乎所有发射高轨航天器火箭不约而同选用氢氧末子级的原因所在。氢氧推进的缺点源于物理特性，分子小、易泄露造成爆炸隐患，沸点低、易结霜，贮存、使用环境苛刻，密度小、占空间，液氢储箱巨大，这也是航天飞机、阿丽亚娜五号、H-2A/2B/3、胖五特别胖的根本原因。

氧气实在太丰富了，地球表面哪哪都是，只需要分离液化空气即可方便获得液氧；而氢从发现到送卫星上天，足足经历了近两个世纪。1766年，英国大科学家卡文迪许发现了氢气，直到1898年杜瓦瓶的发明者才首次实现了氢气液化。20世纪初，氢气广泛用于飞艇，但是几起惨痛的爆炸事故延缓了氢气大规模应用的历史进程。

1945年到随后的十余年间，美国Aerojet公司和NASA的Lewis实验室相继开展液氢作为推进应用的研究工作。1956年，美国空军给普惠公司下单，研制氢燃料航空喷气发动机，1958年，美国空军又给普惠公司下单，这回研制的是氢氧推进火箭发动机。1959年，世界首台氢氧发动机RL-10首次试车，1963年，两台RL-10在宇宙神运载火箭半人马末子级首飞成功，1964年，6台RL-10发动机在土星一号二级成功飞行，随后，J-2发动机在土星一号B的二级和土星五号的二三级相继成功飞行，此外，RL-10系列膨胀循环发动机也在后来的Delta4、AtlasV、Vulcan、OmegA、SLS等多型运载火箭充当末子级动力角色。除了末子级，美国大推力氢氧发动机同样具备在火箭基础级应用的能力，200吨级RS-25(SSEM)富燃补燃循环发动机执行了135次航天飞机发射任务，300吨级RS-68/68A发生器循环发动机执行了约40次Delta4发射任务。近来，世界首富出资研制的50吨级BE-3开式膨胀循环氢氧发动机在NewShepard火箭完成多次亚轨道飞行，也将用于NewGlenn火箭二子级。

欧洲氢氧推进技术起源于1960年代HM4发动机的早期探索，尽管后来项目下马，但自1979年阿丽亚娜火箭首飞，基于HM-4研制经验发展的HM-7A和HM-7B末子级发动机在ArianeI/II/III/IV/VECA系列火箭中累积飞行300余次，后续，末子级HM-7B发生器循环发动机将升级为更加先进的Vinci膨胀循环发动机。法国Snecma公司总承研制的Vulcain发动机，自1996年在阿丽亚娜五号一级承担基础级动力，经过技术升级实现了真空推力115吨至135吨的提升，Vulcain发动机同样应用于在研的阿丽亚娜六号。

自1986年H-I二级氢氧发动机LE-5首飞，日本氢氧推进技术走出了一条独立自主、循序发展的道路，为液体火箭技术发展奠定了动力基础。LE-5采用燃气发生器循环，先后发展膨胀循环LE-5A、LE-5B、LE-5B-2、LE-5B-3分别应用于H-II、H-IIA、H-IIB、H3末子级，发展分级燃烧循环LE-7、LE-7A分别应用于H-II、H-IIA/IIB基础级，150吨级开式膨胀循环LE-9应用于H3基础级。

苏联侧重于液氧煤油推进路线，但也在1960至1970年代开展了D-57和KVD-1氢氧发动机的研制，苏联解体后KVD-1出口至印度，经过仿制成为GSLVII火箭末子级的CE-7.5，阿三通过技术消化研制了CE-20发生器循环发动机，用于GSLVIII末子级。此外，苏联版航天飞机能源号芯级采用的是RD-0120分级燃烧循环氢氧发动机，推力仅次于美国RS-68和RS-25，世界第三。

中国CZ-3系列运载火箭三子级采用了氢氧推进技术，由YF-73、YF-75发生器循环发动机提供动力，自1980年代累积飞行100余次；胖五芯级完全采用氢氧推进，一子级由YF-77发生器循环发动机推进，二子级由YF-75D膨胀循环发动机推进，即将在遥三复飞任务中大显身手。

氢氧推进技术诞生、发展、成熟于美帝，遥遥领先其他各国，在世界航天史上成就了不朽辉煌。日本氢氧推进技术依靠多年孜孜不倦发展，不论从推力规模、循环方式、比冲大小均达到非常先进的水平；俄罗斯具备极好的氢氧推进研究历史和技术储备，工程应用经验较为单薄；欧洲紧随其后，虽然氢氧发动机飞行经验丰富，但是现役发生器循环方式仍相对落后；印度虽然工业基础整体水平有限，但也通过技术引进、消化吸收迈入了氢氧推进技术门槛，掌握氢氧推进技术的国家比原子弹技术的国家还要少。

为满足地球同步轨道卫星发射需求，中国老一代运载火箭科学家迎难而上、艰苦攻关，实现了氢氧推进的技术突破和工程应用，奠定了随后30年高轨卫星发射的技术基础，我国目前正处于常规推进向低温推进转型阶段，长征五号的飞行也将为我国中大推力氢氧推进技术发展积累更多工程经验。

作者：我们的太空阿八

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