李會超：480噸發動機為何是中國載人登月的關鍵？
【文/ 科工力量專欄作者 李會超】
近日，航天六院科研人員離職的風波成為網上熱炒的事件，一些聲音認為其出走對中國的登月工程產生了致命影響。在一份廣為流傳的材料中，該科研人員參與的工作為480噸級液氧煤油發動機研發、8噸變推力液氧煤油發動機、10噸液氧甲烷發動機和百噸級液氧甲烷發動機的研發工作。
這幾種發動機對登月工程的意義到底有多大？這位科研人員的離去如果成為既成事實，又會在多大程度上影響這幾型發動機的研發工作？本文基於公開資料和作者對一般情況的瞭解，對這些問題做一分析。
載人登月關鍵：480噸發動機
發動機是將其他能量轉換成動能的工具。目前使用的航天器，幾乎都是使用化學能發動機作為動力來源。這些發動機控制燃料和氧化劑在發動機中混合燃燒後，向外噴出高温高速的氣體，反推火箭加速進入太空。
大型運載火箭使用的一般為液體推進劑，我國早期和現役的主流火箭使用的燃料和氧化劑為偏二甲肼和四氧化二氮。這些可以在常温下貯存的燃料雖然適合在早期與火箭同步發展的軍用導彈，但卻有毒有害，不但會對工作人員的健康產生威脅，還會在火箭出現意外時造成毒霧等二次危害。
因此，當前航天界開始普遍採用液氧煤油、液氧液氫、液氧甲烷等氧化劑和燃料組合。由於這些推進劑在大氣壓下的沸點低於環境温度，因此它們被稱為低温材料。低温材料具有無毒無害、成本低廉等優勢。
如果要將載人登月飛船送入太空，就必須具備相當強大的運載能力。發射阿波羅飛船的土星5號火箭起飛推力高達35000千牛，至今尚沒有火箭能望其項背。一枚火箭同時工作的發動機數量不能太多，否則就會使得動力系統過於複雜，失敗風險增大。因此，要研發登月火箭，首先就要研發大推力發動機。
（土星V火箭的推力來自於五台F-1液氧/煤油發動機）
在對於未來載人登月的論證中，我國航天部門為火箭制定了地月轉移軌道運載能力50噸、起飛推力35000千牛-40000千牛的指標。在火箭起飛時，計劃使用八台發動機一起工作，其中四台安裝於助推器上，另四台安裝於芯一級上。這樣的設計，使得火箭能夠靈活調整推力，在執行登月任務的同時還可以執行空間站建設、大型載荷發射等任務。由此計算，每台發動機的推力為5000千牛量級。
在低温燃料在中，液氧煤油組合的比衝及密度比衝指標均比較理想，適合作為火箭下面級的燃料。因此，最終確定480噸液氧煤油發動機作為登月火箭的動力。
發動機可以説是決定火箭性能最關鍵的因素，蘇聯就曾因短時間內無法突破大推力發動機技術而導致登月失敗。同時，發動機的研發必須走在火箭整體研發前面。長征五號、長征七號等新一代運載火箭所使用的120噸級液氧-煤油發動機，在2012年就已經完成了研製驗收。
研發更大推力的發動機不能簡單的將小推力發動機的尺寸增大，而是要解決諸多技術難題。例如，480噸級發動機採用泵後搖擺的技術方案，發動機在改變推力方向時只需搖擺推力室及其附件，無需像泵前搖擺一樣讓整個發動機都改變方向。這種方案可以有效減小發動機的尺寸和重量。然而，使用這種方案時，可以活動的金屬軟管必須承受高温高壓燃氣的衝擊，對軟管的設計和加工工藝都是很大的挑戰。除此之外，480噸級發動機還需攻克高效、穩定、長壽命推力室技術，大功率、高效渦輪泵技術等一系列技術難題。
（480噸發動機外形圖）
月面着陸發動機與商業航天發動機
而8噸變推力液氧煤油發動機，雖然推力的大小遠遠小於480噸發動機，但卻有着自身的技術難點。與提供加速動力的火箭發動機功能剛好相反，這種發動機的作用是讓在月球表面着陸的飛船逐漸變軌、減速、懸停於月球表面之上並最終平穩的實現軟着陸。由於着陸過程中推進劑不斷消耗，飛船總重處於不斷的變化之中，因此這種發動機必須具備推力可調節的功能。
美國的阿波羅登月飛船，其輸出的最大推力是最小推力的10倍，但它使用的是偏二甲肼/四氧化二氮的有毒推進劑。我國登月飛船如果採用液氧煤油變推力發動機，則可規避有毒有害的風險。
與火箭用的發動機相比，這種變推力發動機為了實現推力調整功能，需要使用改變推進劑的供應量、改變推進劑的噴注面積或改變推進劑密度等方式實現推力變化，相應的增加了發動機的複雜程度。
甲烷和煤油一樣，同樣是無毒無害、成本低廉、來源廣泛的燃料。但是，液氧/甲烷推進劑的比衝雖然不低，可密度比衝指標不理想。如果大推力火箭的下面級採用這種發動機，將會使得儲存推進劑的貯箱體積、重量過大。然而，如果這種發動機被用於發射一般載荷的可重複使用商業火箭，則會顯示出它獨特的價值。
火箭的推進劑在推力室中燃燒並向外噴出，限制火箭發動機壽命的一個重要因素就是推力室結構出現的破壞。而使用甲烷燃料的發動機，無論是多次開關機啓動還是長時間工作，都具有較高的壽命裕度。
另外，甲烷具有沸點低、容易蒸發的特點，發動機結束工作後通過氮氣吹除即可將內部殘留的推進劑處理乾淨。甲烷不結焦，燃燒積碳少，重複使用時無需清洗且對發動機性能影響很小。在重複使用時，液氧甲烷發動機能夠縮短火箭在兩次飛行中的準備時間，進一步降低火箭的飛行成本。
SpaceX計劃用於登陸火星的BFR航天系統將使用甲烷發動機作為動力（這其中還有在火星上製造甲烷較為方便的因素），我國的民營航天企業藍劍航天也已經完成了液氧甲烷發動機的推力室試車。
（SpaceX的Raptro液氧/甲烷發動機正在進行測試）
該研究人員離職，影響幾何？
目前，480噸液氧煤油發動機已經確定作為預計於2028年首飛的我國下一代重型火箭“長征九號”的動力來源，其有關測試實驗早已展開。8噸級變推力發動機正在進行預先研究，也就是對這一發動機的可行性、實用性和部分系統原型進行研發，尚處於早期研發階段。
而液氧甲烷發動機並非國家立項的項目，而是該研究人員所在的研究所為了未來商業航天應用而自行研發的產品，雖然國家有關項目給予了部分經費支持，但主要以該所自籌資金為主。
該研究人員如果離開，會對這些型號的研發工作產生影響嗎？按照網上流傳的材料介紹，他從120噸液氧煤油發動機開始就作為主要成員參與到了研發中，後來又參與了480噸級發動機的研發，應該在低温發動機尤其是液氧煤油發動機的研發工作上積累了不少經驗。同時，作為長期參與項目的骨幹，他也應該更熟悉項目中的各種門道和細節。
從筆者個人的工作經驗看，如果突然將手頭已經負責一段時間的項目和工作棄之一旁，即便單位和課題組能夠迅速的找到一位水平更高的人來接替，他可能也需要一段相當的時間來掌握項目的具體情況，期間項目的進度將受影響。
然而，他的離開並不會使發動機項目就此停滯。西安航天動力研究所是一個擁有五十多年曆史、研發過六十多種發動機的研究機構，肯定不是靠該研究員一己之力撐起了整個研發體系。他離去留下的空缺，將在一定時間內由其他專家和新成長起來的年輕人填補。
（長征-9號火箭模擬圖）
在一篇廣泛流傳的流傳的文章中，將“研究員”稱為最底層的科研人員。但實際恰恰相反，“研究員”是科學研究人員的正高級職稱，與大學中的教授平級。而字面上看起來更牛的“高級工程師”，實際上僅是副高級職稱，再向上晉升才是研究員級工程師。
像筆者這樣剛剛拿到博士學位的年輕人，如果能在10年之內獲評研究員，將被視為是職業生涯中的成功。在科研單位中，職稱與薪酬、福利、住房、子女教育等一系列切身利益掛鈎，拿到研究員職稱意味着待遇將比研究所中多數其他員工更好。
據新京報報道，該研究人員的年收入為税後20萬，同時享受着體制內的一些福利，待遇在西安已不算低。此外，航天項目大都是涉密項目，保密是航天科技人員心中的紅線，那些“我一個朋友説”和微信聊天截圖所透露的項目信息大多不可靠。
火箭發動機在民營航天企業出現前是國家航天和軍工部門專用的產品，該研究人員能夠成為發動機方面的專家，當然很大程度上來源於其自身的才智和辛勞。但如果沒有國家項目使他獲得積累發動機研發經驗的機會，如果沒有他的單位為他提供能夠鍛鍊成長的平台，如果沒有研究所的前輩專家對他的培養，他通過其他的渠道幾乎沒有可能成為火箭發動機的專家。因為更好的待遇而跳槽的民企這無可厚非，但如果在國家的關鍵項目進行到一半時就一走了之，恐怕很難説是一種光彩的行為。
同時，從法律上看，涉密工作人員離職時要調到非密崗位上，經過一定時間的脱密期才能離職，這既是法律和法規中規定的涉密人員義務，也是涉密單位的員工常識。該研究人員作為一位1994年就入職航天部門的老員工，不可能不清楚這一規定。為何會鬧成現在這樣，外人也難以評説。
但即便在民營企業，跳槽也不是一件説走就走的事情。例如，一些員工在從百度公司離職時需要簽訂競業協議，承諾離職1年內不在任何競爭對手及其關聯公司工作。2013年，百度曾因離職員工違反競業協議而向法院提起訴訟並勝訴，法院判決違約員工支付賠償並與現公司解約。近期，一名叫康澤宇的百度前員工跳槽到今日頭條，北京市勞動仲裁委員會判決康澤宇賠償百度83萬元並停止在今日頭條工作。作為平等的民事主體，《勞動合同法》除了保護勞動者的合法權益外，也同樣會保護用人單位的合法權益。
這一刷屏事件除了讓某問答網站上的一位用户新增了不少粉絲、讓一個公眾號獲得了不少流量之外，似乎造成了涉事的研究所、民營航天企業和該研究人員本人三輸的局面。中國航天事業的所有里程碑式事件中，都有西安航天動力研究所研發的發動機在提供動力。而這個功勳卓著的研究所卻以這種負面新聞的方式為公眾所知，同時該所負責的項目進度也會因此受到影響。對於民營航天企業，其潛在客户中有不少是政企單位和體制內的高校、研究所，其發射活動也要使用國家靶場，其繼續發展還要繼續從國家航天企業挖人，這樣的新聞恐怕不會對該企業的發展產生正面作用。對於該研究人員本人，突然成為輿論的焦點讓其今後的職業生涯充滿了不確定性。
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