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新一代大推力火箭发动机

7月29日,中國航天科技團體公司第六研究院(簡稱六院),新一代大推力120噸液氧煤油火箭發念頭點火熱試車再獲成功。


這僅是該發念頭研制歷程中無數次試車成功中的一次,而在業內,此次試車成功卻引起了專家學者的高度贊譽。

『這臺儲存了3年、此前已經歷過兩次極限工況熱試車考驗的發念頭,在又一次挑戰極限考驗中表現完美。』中國航天科技團體總經理馬興瑞說。他先容,兩個月前,國防科工局剛剛完成了對該型號發念頭的項目驗收,標志著我國成為繼俄羅斯之後第二個完全把握液氧煤油高壓補燃輪回液體火箭發念頭核心技術的國家。如今它再次向眾人宣告,中國航天動力的新舊更迭已勢不可擋,新一代運載火箭發念頭的研制成功,將大大加快中國由航天大國邁向航天強國的步伐。


院士的淚


『在新一代運載火箭液氧煤油發念頭整機研制初期,失敗與困難是家常便飯。』中國工程院院士、六院科技委主任張貴田如是說。



發展航天,動力先行。從某種程度來說,人類探索太空的能力,取決於航天發念頭的推力。以推舉神舟九號與天宮一號圓滿完成載人交會對接任務的長征二號F火箭為代表的我國現役長征系列運載火箭,雖已取得舉世矚目的成績,但其推力已經不能知足未來航天技術發展的需求,研制新一代液體火箭發念頭顯得格外迫切。



現階段我國使用的發念頭單臺推力是70噸左右,火箭的運載能力9噸上下。120噸級液氧煤油發念頭采用了目前世界上最提高前輩的高壓補燃輪回系統,其推力比我國現有長征系列運載火箭發念頭進步60%以上,運載能力是原來3倍左右,不僅采用的推進劑、輪回方式與常規發念頭不同,在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設計參數上,也比現有發念頭高出數倍,在推力噸位、機能方面有大幅度進步。



與常規發念頭比擬,液氧煤油發念頭還具備諸多的長處:一是推力大;二是沒有污染,液氧和煤油都是環保燃料,而且易於存貯和運輸;三是經濟,比常規發念頭推進劑便宜60%;四是可靠性高;五是可重復使用。



然而,該發念頭的研制歷程則布滿了艱辛。對1999年發生的那次意外,張貴田印象尤為深刻。



1999年,為進一步驗證各組合件的可靠性和正確性,在把工況進步到100噸的狀態下,六院於7月組織了組合件聯動試驗。結果試驗發生了燃燒現象,這為科研職員的心中壓上了一塊巨石。



晚飯時,航天老專家錢維松勸張貴田:『試驗有成有敗,不要太難過。』話音剛落,張貴田的眼淚奪眶而出。



液氧煤油發念頭不僅采用的推進劑、輪回方式與過去常規發念頭不同,而且在推力噸位、機能、可靠性方面比現有發念頭有大幅度進步,這就意味著發念頭及各部件在比現有發念頭更惡劣的前提下工作。這不僅加大了發念頭的設計難度,而且對加工、試驗設備以及材料、工藝等提出了更高要求。



對於液體火箭發念頭來說,啟動和關機是最復雜、最難設計的動態過程,尤其是啟動過程,在零點幾秒內,發念頭的滾動件要從不滾動加速到每秒幾萬轉的高轉速,燃燒組件要從環境溫度達到三四千攝氏度的高溫,啟動過程的每個指令都必需精確到百分之幾秒,甚至千分之幾秒。任何一個環節設計不好,都可能導致故障甚至爆炸。



幾回整機試車失敗後,外界泛起了質疑聲,這使設計職員的壓力越來越大,甚至在睡夢中都經常夢到試車失敗的沖天火光和滾滾濃煙。



為了找到題目的根源,科研職員拋卻了休息日,同心用心撲在工作上,千方百計收集資料,絞盡腦汁尋找故障的癥結,利用仿真技術模擬啟動失敗和爆炸的過程……經由近半年緊張激烈的艱苦攻關,他們終於摸清了試車失敗的根源和機理,終極選定了最理想的啟動方案和啟動程序。



『六院人的性格猶如他們所研制的發念頭,意志堅如鋼,心中一團火,傾力鑄神箭,勇為先行官,朴實又沈穩,甘當鋪路石。』六院黨委書記黃亮表示,在新一代火箭發念頭研制過程中,六院人所表現出的敢打敢拼、不屈不撓和先行一步、領先一路的品格,恰是發念頭人格化的體現。



三大難關



憑著鍥而不捨、毫不屈服的精神,六院研制職員闖過了一道道技術難關,使發念頭連闖渦輪泵聯動試驗、半系統試驗、整機試驗三大難關,成功實現整機600秒長程試驗。



因為液氧煤油發念頭為高壓補燃輪回系統,渦輪泵轉速高、壓力高、功率大,巨大的振動引起產品結構破壞,不能進行長時間與高工況的試車。『減振』便成為整機研制過程中又一個大題目。



科研職員開展了渦輪泵減振攻關,分析了介入試車的渦輪泵所有數據,特別是高速轉子的軸向和徑向位移、振動、壓力脈動數據。弄清晰了高速轉子的動特性、振型和引起振動的主要因素,並加班加點設計出產了高速轉子動力學實驗裝置。



高速轉子動力學實驗在該研究院仍是首次進行,無任何經驗鑒戒,技術職員邊設計邊出產,將近200公斤重的實驗裝置運到1月最冷的哈爾濱,並自己帶上百公斤重的實驗用所有裝配、實驗工裝設備。



實驗期間,科研職員不顧零下20攝氏度的寒冷,天天從清早開始,一直工作到晚上10點,在兩個禮拜內進行了23種狀態的渦輪泵轉子動力學實驗,找到了影響渦輪泵轉子動特性的主要因素。隨後根據實驗結果確定了對渦輪泵進行改進的措施,並在後續的發念頭試車中逐步實施。改進後的渦輪泵振動減小,一次裝配能連續進行5次試車,一次試車時間能達到發念頭額定工作時間的3倍,終於知足了發念頭的要求。


推力室是整機中最大、結構最為復雜的一個組合件,也是整機研制的樞紐。因為推力室制造工藝難度較大,為解決這些技術挫折,六院組成了工藝、設計、試驗以及技術治理職員聯合組成的推力室攻關小組。


攻關小組針對渦輪泵聯試中暴露出的題目,進行了新一回合的渦輪泵、閥門等組合件設計工藝改進研究工作。對噴嘴加工、厚壁變截面管成形、內壁螺旋銑槽、頭部釺焊、收擴段脹型等樞紐工藝技術進行攻關。在研制職員的不懈努力下,經由多個方案多個回合的研制攻關後,終於完成了推力室出產。


在國外航天專家眼裡,建設一座數百噸推力規模的發念頭試車臺,從主體奠基到正式試驗投產,至少要用3年時間,而六院人僅用了一年半。經由考臺試車和正式試車的驗證,這座亞洲第一試車臺的總體設計、技術、設備等指標均達到了海內外提高前輩水平。


2006年7月3日下戰書,秦嶺深處,漫山碧透,試車臺畔,溪水潺潺。跟著震耳欲聾的巨響,試車開始。只見導流槽流水嘩嘩,富氧燃氣彌漫山谷。600秒的時間,此刻顯得格外漫長。終極,液氧煤油發念頭首次長程試車獲得成功。


讓中國航天走得更遠


『自2000年國家正式立項進入工程研制的12年間,液氧煤油發念頭已先後進行了百餘次試車。』知名火箭發念頭專家、六院院長譚永華說,『這當中,有飽嘗失敗的痛苦,但更多的是失敗之後,六院人自主立異的行動更加堅實,攻堅克難的步伐更加加快。』


六院人在收成新一代大推力火箭發念頭研制成功喜悅的同時,更成就了中國航天的新高度。12年來,六院科研職員迎難而上,從對高壓補燃輪回發念頭的一知半解,到突破80餘項樞紐和核心技術,先後研制出3種基本型發念頭,以及5種適應不同火箭總體的飛行狀態發念頭。目前,所有飛行狀態發念頭均已完成考核任務,開始交付火箭總體進行相關試驗。屆時,中國人的太空之路將會走得更遠。


與此同時,新一代大推力火箭發念頭的研制,直接帶動了相關工業的發展。譚永華先容,在六院新一代大推力液氧煤油發念頭研制中,為了解決高低溫、高壓、強氧化、高轉速、大功率等題目,六院與相關單位一起研制開發了近50種新材料,包括高強度耐氧化的不鏽鋼、高溫合金、納米涂層、鍍層、橡膠等。在新工藝方面,通過技術攻關突破了30多項樞紐工藝,其中多項技術達到海內甚至國際領先水平。這些新材料、新工藝一經問世,就受到其他行業的關注和應用,促進了相關工業的發展。
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  • 发表时间:2012-07-30 23:20:45
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