航天“中國(guó)芯”升級(jí)

劉朝暉

中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)6月25日在新建成的海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)首飛成功，標(biāo)志著中國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)順利開(kāi)啟。這是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第230次飛行，同時(shí)也是中國(guó)以建設(shè)空間站為目標(biāo)的空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)第一次發(fā)射。中國(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人武平說(shuō)：“空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)之后，我國(guó)將真正邁入空間站時(shí)代的大門(mén)。”

在接下來(lái)的幾個(gè)月中，中國(guó)將陸續(xù)發(fā)射天宮二號(hào)目標(biāo)飛行器、神舟十一號(hào)載人飛船和天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船。同時(shí)，中國(guó)目前研制規(guī)模和技術(shù)跨度最大的航天運(yùn)輸系統(tǒng)工程——長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭也將于今年下半年在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)擇機(jī)發(fā)射。屆時(shí)，中國(guó)新一代運(yùn)載火箭全部在研型號(hào)將得到全面技術(shù)驗(yàn)證。

長(zhǎng)征七號(hào)的成功發(fā)射，也是我國(guó)全新大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)取得進(jìn)步的顯著標(biāo)志。隨著中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，未來(lái)還有大量的發(fā)射計(jì)劃，對(duì)于新一代火箭的要求有增無(wú)減，既要擁有更大的運(yùn)載能力，還要進(jìn)一步降低成本。因此發(fā)展大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，改變目前大幅度落后于世界運(yùn)載火箭先進(jìn)水平的局面，也是迫在眉睫。

藍(lán)色尾焰的奧秘

伴隨著振聾發(fā)聵的轟鳴聲，長(zhǎng)征七號(hào)騰空而起，直沖云霄。夜空中火箭噴出的橘紅色尾焰，形成一幅壯麗的畫(huà)面。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)觀摩發(fā)射的人群在為此歡呼之時(shí)，中國(guó)航天的動(dòng)力技術(shù)研發(fā)人員卻在為這已經(jīng)司空見(jiàn)慣的場(chǎng)面中的一點(diǎn)不同而興奮，因?yàn)樗麄冎?，這一點(diǎn)不同的出現(xiàn)，是對(duì)他們辛勤的研發(fā)投入最好的回報(bào)。

這一點(diǎn)不同，是長(zhǎng)征七號(hào)橘紅色尾焰中的那一抹充滿(mǎn)神秘的藍(lán)色！正是這一點(diǎn)藍(lán)色，表明了長(zhǎng)征七號(hào)采用的是不同于以往的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭副總指揮張濤向媒體解釋?zhuān)盀槭裁袋c(diǎn)火時(shí)尾焰的顏色中會(huì)有點(diǎn)藍(lán)？主要是燃料出現(xiàn)了變化?！彼f(shuō)，長(zhǎng)征七號(hào)采用無(wú)毒無(wú)污染的液氧煤油作為燃料，較常規(guī)推進(jìn)劑比沖提高20%，推力提高了60%，不僅秉承了中國(guó)航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)國(guó)際潮流，還降低了成本提高了火箭性能。

采用全新的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，是長(zhǎng)征七號(hào)最根本的變化。這顆更強(qiáng)壯的“心臟”，一舉將我國(guó)中型運(yùn)載火箭低軌道的運(yùn)載能力由8.6噸提高至13.5噸，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)火箭先進(jìn)水平。未來(lái)，長(zhǎng)征七號(hào)火箭將成為中國(guó)未來(lái)航天發(fā)射任務(wù)的“主力軍”，承擔(dān)中國(guó)80%左右的發(fā)射任務(wù)。

資料顯示，長(zhǎng)征七號(hào)使用了新型的YF-100、YF-115液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中火箭芯一級(jí)安裝兩臺(tái)推力為120噸的YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，4個(gè)直徑為2.25米的助推器，分別安裝單臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)；火箭芯二級(jí)采用4臺(tái)單機(jī)推力為180噸的YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)。

據(jù)了解，之前我國(guó)使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)推力是70噸左右，火箭的運(yùn)載能力在9噸上下。120噸級(jí)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了目前世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，可謂世界航天動(dòng)力領(lǐng)域的“珠峰”。其推力比我國(guó)現(xiàn)有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高60%以上，火箭運(yùn)載能力是原來(lái)的3倍左右；不僅采用的推進(jìn)劑、循環(huán)方式與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，在最高壓力、渦輪功率、推進(jìn)劑流量等設(shè)計(jì)參數(shù)上，也比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)高出數(shù)倍，在推力噸位、性能方面有大幅度提高。

由于液氧和煤油都是環(huán)保燃料，燃燒后只生成水和二氧化碳，不像以往的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料會(huì)產(chǎn)生劇毒，因此液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有污染，而且易于存貯和運(yùn)輸。同時(shí)，液氧煤油比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑便宜60%，而且可靠性更高。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，填補(bǔ)了中國(guó)高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)空白，縮短了中國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平與國(guó)外的差距，奠定了中國(guó)未來(lái)航天動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，也標(biāo)志著中國(guó)成為繼俄羅斯之后第二個(gè)完全掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的國(guó)家。

艱難的研制歷程

從某種程度上說(shuō)，探索太空的能力，取決于航天發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。我國(guó)現(xiàn)役長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，有過(guò)推舉神舟九號(hào)與天宮一號(hào)圓滿(mǎn)完成載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)的輝煌，但其推力已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展的需求，研制新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)顯得格外迫切。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，走過(guò)了一段相當(dāng)艱辛的研制歷程。

從1986年起，國(guó)家就對(duì)我國(guó)新一代航天動(dòng)力的發(fā)展思路進(jìn)行了論證，在1990-1995年間，我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的液氧煤油補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的消化吸收，隨后開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究。2000年，國(guó)家正式對(duì)該項(xiàng)目立項(xiàng)，液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正式進(jìn)入了工程研制階段。2012年，新一代大推力120噸液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)航天科技集團(tuán)第六研究院點(diǎn)火試驗(yàn)獲得成功。

自2000年國(guó)家正式立項(xiàng)進(jìn)入工程研制至點(diǎn)火成功的12年間，這臺(tái)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已先后進(jìn)行了百余次試車(chē)。從研制高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始，已突破80余項(xiàng)關(guān)鍵和核心技術(shù)，先后研制出3種基本型發(fā)動(dòng)機(jī)，以及5種適應(yīng)不同火箭總體飛行狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為世界航天動(dòng)力領(lǐng)域的技術(shù)高點(diǎn)，研制過(guò)程并非一帆風(fēng)順。在整機(jī)研制初期，失敗與挫折是家常便飯。

據(jù)了解，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能都有大幅度提高，這就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)及各部件要在比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)更惡劣的條件下工作。這不僅加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難度，而且對(duì)加工、試驗(yàn)設(shè)備以及材料、工藝等提出了更高的要求。

如同飛機(jī)起飛和降落是最難控制的時(shí)段一樣，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和關(guān)機(jī)是最復(fù)雜最難設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，尤其是起動(dòng)過(guò)程，在零點(diǎn)幾秒內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)件要從不轉(zhuǎn)動(dòng)加速到每秒幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速；燃燒組件要從環(huán)境溫度達(dá)到三四千攝氏度的高溫，起動(dòng)過(guò)程的每個(gè)指令都必須精確到百分之幾秒，甚至千分之幾秒。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不好，都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障甚至爆炸。

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)剛開(kāi)始進(jìn)行的幾次整機(jī)試車(chē)都失敗了，外界也出現(xiàn)了質(zhì)疑聲。經(jīng)過(guò)緊張激烈的艱苦攻關(guān)，設(shè)計(jì)人員終于摸清了試車(chē)失敗的根源，設(shè)計(jì)了最理想的起動(dòng)方案和起動(dòng)程序?？蒲腥藛T正是憑著鍥而不舍的精神，連續(xù)闖過(guò)了渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)、半系統(tǒng)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)三大難關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)整機(jī)600秒長(zhǎng)程試驗(yàn)。

在國(guó)外航天專(zhuān)家眼里，建設(shè)一座數(shù)百?lài)嵧屏σ?guī)模的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)，從主體奠基到正式試驗(yàn)投產(chǎn)，至少要用三年時(shí)間，而航天科技集團(tuán)六院僅用了一年半。經(jīng)過(guò)考臺(tái)試車(chē)和正式試車(chē)的驗(yàn)證，這座亞洲第一試車(chē)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)、技術(shù)、設(shè)備等指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，為我國(guó)下一步空間站建設(shè)以及深空探測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力支撐。

與世界先進(jìn)仍有差距

按照設(shè)計(jì)，今年下半年將發(fā)射新一代的長(zhǎng)征五號(hào)火箭。雖然長(zhǎng)征五號(hào)尚未發(fā)射，但它的研制成功將我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)水平提高一個(gè)檔次，同時(shí)長(zhǎng)征五號(hào)的運(yùn)載能力也有成倍的提高。據(jù)悉，長(zhǎng)征五號(hào)在芯級(jí)上使用的是YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而助推器則使用的是YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然兩款發(fā)動(dòng)機(jī)都是屬于全新研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但是不可否認(rèn)的是，橫向比較，我們的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與國(guó)際的先進(jìn)水平相比，依然存在著不小的差距，前面仍有一段很長(zhǎng)的路要走。

如果說(shuō)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還有參照的話(huà)，那我國(guó)研制新一代運(yùn)載火箭芯級(jí)的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)可算得上白手起家了。中國(guó)研究氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展得很早，1970年就開(kāi)始第一臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-70的研制，但是由于基礎(chǔ)工業(yè)落后和低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的高難度，發(fā)展道路艱辛無(wú)比，至今僅有兩種小型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-73和YF-75投入使用，最大推力不過(guò)8噸。2001年立項(xiàng)的YF-77雖然已經(jīng)定型投產(chǎn)，但其推力僅50噸，可以說(shuō)是國(guó)際上新一代運(yùn)載火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最小的型號(hào)。

在液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，蘇/俄長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位。1950年代，蘇聯(lián)就率先研制成功RD107/108液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，以其為動(dòng)力的“聯(lián)盟”號(hào)運(yùn)載火箭將首位航天員加加林送上太空。隨后蘇聯(lián)又研制了推力150噸級(jí)的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃用于載人登月的N-1火箭，但由于技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，4次試驗(yàn)全部失敗。不過(guò)蘇聯(lián)并未因此止步，在1970年代至1980年代成功研制了推力740噸級(jí)的RD-170發(fā)作“能源”號(hào)火箭的助推器，遺憾的是這一計(jì)劃由于蘇聯(lián)解體而終止。此后，俄羅斯又推出了380噸級(jí)的RD-180和200噸級(jí)的RD-191，并向美國(guó)、日本、印度、韓國(guó)及歐洲等國(guó)出口液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及技術(shù)。近期也有不少傳聞?wù)f俄羅斯正在向我國(guó)推銷(xiāo)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，而美國(guó)出于成本的考慮，已經(jīng)從俄羅斯進(jìn)口了不少RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。

另一個(gè)航天巨人美國(guó)，在1960年代就研制了推力高達(dá)680噸的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，用于迄今為止最大的運(yùn)載火箭“土星五號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次登月。而目前美國(guó)重型德?tīng)査?火箭使用的使用的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RS-68，地面推力超過(guò)300噸。

對(duì)比美歐航天強(qiáng)國(guó)，中國(guó)缺少大推力高比沖的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，缺少大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和大推力的固體發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)征五號(hào)的YF-77和YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)仍然存在推力偏小的問(wèn)題，這導(dǎo)致火箭設(shè)計(jì)復(fù)雜化，將降低火箭的固有可靠性。

為了在大推力運(yùn)載火箭技術(shù)上追趕航天強(qiáng)國(guó)，同時(shí)也為了滿(mǎn)足未來(lái)載人登月和空間站建設(shè)等需求，中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了新一代大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。據(jù)悉，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院下屬首都航天機(jī)械公司已經(jīng)啟動(dòng)220噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先研究工作，該型發(fā)動(dòng)機(jī)將用于重型運(yùn)載火箭，它的推力是現(xiàn)有大氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力的近4倍。

2015年，國(guó)防科技工業(yè)局已經(jīng)正式批準(zhǔn)重型火箭的關(guān)鍵技術(shù)深入研究，主要包括兩方面，其一是總體技術(shù)，其二是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)重型火箭起飛推力在長(zhǎng)征五號(hào)大型火箭1000噸的基礎(chǔ)上提升至2000—3000噸的目標(biāo)。重型運(yùn)載火箭是指火箭起飛推力在3000噸上下、近地軌道運(yùn)載能力在100噸左右的火箭，主要用于載人登月任務(wù)和發(fā)射大型深空探測(cè)器。

我國(guó)計(jì)劃用4—5年時(shí)間突破重型火箭總體設(shè)計(jì)，以及460噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、220噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和9米左右直徑火箭箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)，用15年左右完成研制，爭(zhēng)取在2030年前后實(shí)現(xiàn)首次飛行。

2012年，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司對(duì)外公布長(zhǎng)達(dá)80多頁(yè)的《2011年度社會(huì)責(zé)任報(bào)告》，在這份報(bào)告中，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司首次對(duì)外發(fā)布長(zhǎng)征九號(hào)巨型火箭外形示意圖。從圖中可以看到到這種火箭比長(zhǎng)征五號(hào)重型火箭龐大得多，應(yīng)該就是研制中的重型運(yùn)載火箭。如果研制成功，無(wú)疑將使中國(guó)航天事業(yè)邁入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

長(zhǎng)征七號(hào)還有哪些過(guò)人之處？

一 、研制流程無(wú)紙質(zhì)圖紙？用上“虛擬現(xiàn)實(shí)”

“長(zhǎng)七”火箭在全研制流程沒(méi)有一張紙質(zhì)圖紙，火箭設(shè)計(jì)從紙質(zhì)“連環(huán)畫(huà)”變成了“3D電影”。在生產(chǎn)加工階段火箭實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”加工。

在試驗(yàn)、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，對(duì)火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，真實(shí)模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，提前預(yù)見(jiàn)可能發(fā)生的問(wèn)題。

二 、大個(gè)子“長(zhǎng)七”火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)能轉(zhuǎn)彎

因?yàn)橐烷L(zhǎng)征五號(hào)火箭共用一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道，節(jié)省占地面積，“長(zhǎng)七”火箭在轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中要拐4 個(gè)60 度的彎。

由于火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)“頭”部包裹著衛(wèi)星，行走起來(lái)“頭重腳輕”，因此要“小步慢行”，轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不能超過(guò)每分鐘15米，行駛速度每分鐘不能超過(guò)30 米。汽車(chē)要轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)就能輕松完成。而火箭轉(zhuǎn)彎則要依靠活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)。

為攻破這項(xiàng)技術(shù)難題，航天科技集團(tuán)一院專(zhuān)門(mén)成立項(xiàng)目組，并進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算和試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)3 年的努力，才取得發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)彎行走原理試驗(yàn)的成功。

長(zhǎng)征七號(hào)地面設(shè)備副主任設(shè)計(jì)師吳夢(mèng)強(qiáng)說(shuō)：“這是航天發(fā)射支持系統(tǒng)的一次重大突破。目前，除日本外，我國(guó)是第2 個(gè)掌握‘單軌差速轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國(guó)家，也是繼美國(guó)、歐空局、日本之后第4 個(gè)掌握‘發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國(guó)家，縮短了我國(guó)在發(fā)射設(shè)備領(lǐng)域與其他航天大國(guó)的差距?！?/p>

三 、火箭也有“臍帶”

現(xiàn)役火箭的管道、電纜都在發(fā)射塔架上，這些“臍帶”在火箭起飛前通過(guò)遙控自動(dòng)脫落。作為新一代運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征七號(hào)還有這專(zhuān)門(mén)承載火箭加注管道、供氣管道的裝置——臍帶塔。

長(zhǎng)征七號(hào)地面設(shè)備副主任設(shè)計(jì)師吳夢(mèng)強(qiáng)介紹說(shuō)，長(zhǎng)七火箭將首次在非內(nèi)陸發(fā)場(chǎng)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，而我國(guó)臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)能力僅能提前1 周，天氣的不確定性決定了火箭不能在發(fā)射陣地如此長(zhǎng)時(shí)間工作，為此，設(shè)計(jì)人員專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了臍帶塔，火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中可以保證所有連接狀態(tài)不變，到發(fā)射陣地后直接進(jìn)行加注發(fā)射，縮短在火箭發(fā)射陣地的測(cè)試時(shí)間?！?