嫦娥六號探測任務是人類第一次在月球背面取樣，是我國航天集成度最高的一次任務，也是世界航天事業上的重要里程碑。在這次任務中，採用了107&發動機，而且都是液體火箭發動機。

一般來説，運輸器發動機數量是比較少的，比如説汽車是一台發動機，飛機發動機一般不超過四台，而嫦娥六號任務為什麼用到了 107 &發動機?

讓我們先看看火箭發動機的推進原理。

火箭發動機是如何推進火箭的？

不同發動機驅動原理差別比較大。

比如汽車，是通過發動機驅動輪胎作用於地面産生反作用力來行駛。特點是作用於第三物體；而飛機上的渦輪噴氣發動機是通過噴出氣體産生反作用力來提供推力，其特點是通過噴氣産生反作用力。從這一點來説，火箭更接近於飛機。

從作用力和反作用力的角度來看：我們步行，用腳蹬地來獲得動力；從椅子上站起來，用手撐椅子扶手獲得推舉力；飛機轉彎，通過操縱副翼、升降舵和方向舵作用於高速空氣獲得相應作用力。

這些例子中，都存在第三物體，比如地面、椅子扶手、空氣，運動體都是通過作用於外界來獲得反作用力。而在太空中，就像電影中的宇航員，不存在第三物體，就無從着力，只能通過扔出宇航服手臂來獲得反作用作為推進力。

概括來講，我們可以這麼來理解噴氣産生推力的過程：如果外界沒有物體，我們就創造並作用於這樣一個物體來獲得推進力，而這個被扔出去的物體呢，我們把它叫“工質”。目前，所有的推進都是有“工質”推進的，至於無“工質”推進一直是科幻的題材。

火箭發動機的工質就是噴出去的高溫燃氣，其能量來自於燃料和氧化劑中蘊含的化學能，而燃料和氧化劑就是發動機的推進劑。液體火箭發動機的排氣速度一般在3000~4500m/s，排氣速度越快，性能就越高。

這些能量是如何逐步釋放並驅動任務完成的？

從發動機能量使用角度看，嫦娥六號任務主要有六個階段——

第一個階段：運載火箭發射至地月轉移軌道，飛行時間2210s，釋放約99%的能量；

第二個階段：地月轉移及近月制動，飛行5天，釋放剩餘1%中的約30%；

第三個階段：月面着陸，飛行 900s，釋放剩餘中的約40%；

第四個階段：月面上升，飛行360s，釋放剩餘中的約10%；

第五個階段：月地轉移，飛行5天，釋放剩餘中的約 20%；

第六個階段：再入水漂回收(返回器)，消耗的能量可忽略。

從能量使用角度來看，嫦娥六號任務最讓人驚訝的是，使用了99%的能量把探測器送到地月轉移軌道。從這個角度來看，要擺脫地球的引力進入太空，難度是非常大的。而且這99%的能量釋放是在37分鐘內時間內完成的，這充分體現了液體火箭發動機功率密度巨大的特點。

功率密度是單位質量(或體積)在單位時間內釋放的能量。據測算，長征五號發射時的功率相當於三個三峽大壩滿負荷運行，單&120噸級液氧煤油發動機的功率高於葛洲壩水電站和&山核電站。

嫦娥六號任務中最具特色的三種發動機

下面介紹一下本次任務中最具特色的三種發動機。

其中，120噸級液氧煤油發動機是中國現役最大推力的發動機。它採用液氧和煤油作為推進劑，具有密度比衝高、貯存性能好、綠色環保等優點，是我國新一代運載火箭系列的主心骨。它的單&發動機推進劑流量超過400kg/s，相當於每秒消耗的燃油流量有140升，夠普通家用汽車加三次油。長征五號助推級採用了八台這種發動機，提供了960噸的推舉力。我本人也很榮幸全程參與了這種發動機的研製。

第二種，7500N變推力發動機可以説是嫦娥工程的功勳發動機，能夠實現推力從7500牛到1500牛的連續變化，這種能力對於執行複雜的太空任務至關重要，也是探測器實現着陸月球表面的關鍵。在嫦娥六號探測任務中，7500N變推力發動機安裝在着陸器上，用於着陸器/上升器組合體在月球表面軟着陸，一共工作900秒，消耗將近兩噸的推進劑。

第三種，3000N發動機具有高性能、高可靠、輕質小巧等特點，具備複雜空間環境下多次啟動能力，為地月和月地間的大範圍轉移、月面起飛發射保駕護航。嫦娥六號探測任務中，一台3000N發動機安裝在軌道器上，在全任務周期中用於變軌和近月、近地制動，多次啟動，消耗近2噸推進劑；另一台安裝在上升器用於月面起飛，一共工作360秒，消耗近400公斤推進劑。

此外，嫦娥六號任務還安裝和應用了比較多的姿態控制發動機。除了長征五號第二級火箭採用4&300N、4&150N和2&60N發動機外，嫦娥六號探測器的四個部段（軌道器、返回器、着陸器、上升器）也安裝了系列姿態控制發動機，推力有150N、120N、25N 和10N 這四種。

嫦娥六號探測任務為什麼要採用上百台發動機？

現在可以回答最開始的問題了：嫦娥六號探測任務為什麼要採用上百台發動機？

這可以從兩方面來理解：

一方面，火箭分為三級，嫦娥組合體分為四部分，發動機要推舉的重量變化近千倍，每一部分都需要有獨立的發動機系統，需要的推力需求和使用方式差別很大，因此發動機的種類也就多；

另一方面，不同飛行段姿態控制需要不同方向的發動機來保證。這一點，可以參照飛機飛行時的姿態控制來理解：飛機重量、速度變化範圍較小，除了發動機，還採用了副翼、襟翼、前緣縫翼、擾流板等多種氣動結構件的組合，來實現飛行姿態控制。而航天飛行器除了主發動機提供速度控制外，還需要發動機組合來實現飛行姿態控制，例如軌道器有8&50N、18&25N、12&10N共38&發動機，上升器有8&120N、12&10N共20&發動機。

可以説，航天發動機註定是多種多樣、變化多端的。

作者丨吳寶元 航天推進技術研究院研究員