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中国航天攀上动力新高峰
来源:中国航天报     日期:2012年08月15日    字体:【】【】【
  ——中国航天科技集团公司六院研制新一代大推力火箭发动机纪实

  日前,我国新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机储存长程热试车圆满成功。

  这台储存了3年、此前已经历过两次极限工况热试车考验的火箭发动机,在又一次挑战极限的考验中表现完美。

  两个月前,该型号火箭发动机刚刚通过了国家国防科工局组织的项目验收。

  试车成功、通过验收,中国航天科技集团公司向世人宣告中国航天事业取得了一项最新成就:我国120吨级液氧煤油火箭发动机研制圆满成功,中国航天液体动力技术达到国际先进水平。同时,我国空间站建设和深空探测获得更大的航天动力,为2014年实现长征五号火箭首飞打下了坚实基础。

  探索太空的能力

  取决于发动机的推力


  发动机的研制工作是以集团公司六院为主完成的。

  该院院长谭永华说,与常规发动机相比,液氧煤油发动机具备诸多的优点:一是推力大;二是没有污染,液氧和煤油都是环保燃料,而且易于存贮和运输;三是经济,比常规发动机推进剂便宜60%;四是可靠性高;五是可重复使用。

  然而,新一代大推力火箭发动机作为世界航天动力领域的技术高点,研制过程并非一帆风顺。

  从某种程度来说,中国人探索太空的能力,取决于航天发动机的推力。目前,我国现役的长征系列运载火箭虽已取得举世瞩目的成绩,但其推力已不能满足未来航天发展的需求,研制新一代液体火箭发动机迫在眉睫。

  现阶段我国使用的发动机单台推力是70吨左右,火箭的运载能力9吨上下。120吨级液氧煤油发动机采用了目前世界上最先进的高压补燃循环系统,其推力比我国现有长征系列运载火箭发动机提高60%以上,运载能力是原来的3倍左右;液氧煤油发动机不仅采用的推进剂、循环方式与过去常规发动机不同,而且在推力吨位、性能、可靠性方面,比现有发动机有大幅度提高。这就意味着发动机及各部件要在更加恶劣的条件下工作,这不仅加大了发动机的设计难度,而且对加工、试验设备以及材料、工艺等提出了更高的要求。

  “在新一代运载火箭液氧煤油发动机整机研制初期,失败与挫折是家常便饭。”中国工程院院士张贵田说。

  1999年,为了进一步验证各组合件的可靠性和准确性,在把工况提高到100吨的状态下,六院于7月组织了组合件联动试验,但却发生了意外,科研人员的心中就像压了块巨石。

  航天老专家钱维松劝张贵田院士:“试验有成有败,不要太难过。”话音刚落,张贵田竟像孩子似的忍不住流下了眼泪。该院科研人员从院士的眼泪中,读懂了新一代火箭发动机研制的艰辛,更坚定了他们攻坚克难的信心。

  飞机起飞和降落是最难控制的时段,也是出事最多的时段。液体火箭发动机也一样,起动和关机是最复杂、最难设计的动态过程。液氧煤油发动机刚开始进行的几次整机试车都失败了。设计人员的压力,一次比一次大。为了找到问题的根源,该院科研人员放弃休息日,一心扑在工作上,千方百计收集资料,绞尽脑汁寻找故障的症结,利用仿真技术模拟起动失败和爆炸的过程……

  经过近半年紧张激烈的艰苦攻关,设计人员终于摸清了试车失败的根源和机理。设计人员提出了几种新的方案,对各种方案和程序的组合进行仿真优化,最终选定了理想的起动、关机方案和程序。

  “六院科研人员的性格如同他们所研制的发动机,意志坚如钢,心中一团火,倾力铸神箭,勇为先行官。”该院党委书记黄亮说,在新一代火箭发动机研制过程中,科研人员所表现出的敢打敢拼、不屈不挠和先行一步、领先一路的品格,正是发动机人格化的体现。

  连闯重重难关

  实现整机600秒长程试验

  凭着锲而不舍、百折不挠的精神,六院研制人员闯过了涡轮泵联动试验、半系统试验、整机试验等重重难关,成功实现了整机600秒长程试验。

  由于液氧煤油发动机在高压补燃循环系统中,涡轮泵转速高、压力高、功率大,巨大的振动容易引起产品结构破坏,不能进行长时间与高工况的试车。“减震”便成为整机研制过程中的又一个大问题。

  该院科研人员开展了涡轮泵减振攻关,分析了参与试车的涡轮泵所有数据,特别是高速转子的轴向和径向位移、振动、压力脉动数据。弄清楚了高速转子的动特性、振型和引起振动的主要因素,科研人员加班加点设计生产了高速转子动力学实验装置。

  推力室是整机中最大、也是结构最为复杂的一个组合件,它是整机研制的关键。由于推力室制造工艺难度较大,为解决这些技术难题,该院组成了有工艺、设计、试验以及技术管理人员参加的推力室攻关小组。攻关小组针对涡轮泵联试中暴露出的问题,进行了新一回合的涡轮泵、阀门等组合件设计工艺改进研究工作。对喷嘴加工、厚壁变截面管成形、内壁螺旋铣槽、头部钎焊、收扩段胀型等关键工艺技术进行攻关。在科研人员的不懈努力下,经过多个方案、多个回合的研制攻关后,终于完成了推力室的生产。

  在国外航天专家眼里,建设一座数百吨推力规模的发动机试车台,从主体奠基到正式试验投产,至少要用6年时间,而六院仅用了一年半。经过考台试车和正式试车的验证,这座亚洲第一试车台的总体设计、技术、设备等指标均达到了国际先进水平。随着这座试车台的建成投产,研制工作如虎添翼。特别是2006年7月3日,液氧煤油发动机首次长程试车的成功,大大加快了研制的步伐。

  突破80余项关键技术

  攀上液体动力之巅


  “自2000年国家正式立项进入工程研制的12年间,液氧煤油发动机已先后进行了百余次试车。”谭永华介绍说。从对高压补燃循环发动机的一知半解,到突破80余项关键和核心技术,六院先后研制出3种基本型发动机,以及5种适应不同火箭总体的飞行状态发动机。目前,该院所有飞行状态发动机均已完成考核任务,开始交付火箭总体进行相关试验。

  新一代大推力火箭发动机的研制,关键和核心技术的一项项突破,不仅直接引领了航天事业的发展,还为国民经济发展和普通百姓日常生活水平的提高注入了新的科技力量。

  在新一代大推力液氧煤油发动机研制中,为了解决高低温、高压、强氧化、高转速、大功率等问题,该院与相关单位一起研制开发了近50种新材料,包括高强度耐氧化的不锈钢、高温合金、纳米涂层、镀层、橡胶等。在新工艺方面,通过技术攻关突破了30多项关键工艺,其中多项技术达到国内甚至国际领先水平。这些新材料、新工艺一经问世,就受到其他行业的关注和应用,促进了相关产业的发展。(张美书 李云霞)

  
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