液體“芯”動(dòng)力托起新夢(mèng)想

□ 譚釧 張新

液體“芯”動(dòng)力托起新夢(mèng)想

□ 譚釧 張新

2016年11月3日，舉國(guó)矚目的我國(guó)新一代大推力運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)，在航天科技集團(tuán)六院研制的系列新動(dòng)力的推舉下，實(shí)現(xiàn)完美首飛，標(biāo)志著中國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)走出了更加堅(jiān)實(shí)的步伐。而系列新動(dòng)力當(dāng)中，除液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)外，兩型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的太空首秀，同樣吸引了人們關(guān)注的目光。

長(zhǎng)征五號(hào)兩型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)以液氫和液氧為燃料，比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高約50%，是當(dāng)前已知推進(jìn)效率最高的液體運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這是長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為芯級(jí)動(dòng)力的主要原因之一。

“芯”動(dòng)力中國(guó)航天新高度

兩型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)均由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院北京11所研制，從開(kāi)展預(yù)研到成功首飛，經(jīng)歷近20年。鏖戰(zhàn)的日日夜夜，大家從自力更生中起步，在自主創(chuàng)新中發(fā)展，極大提升了火箭運(yùn)載能力，也標(biāo)志著我國(guó)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)邁進(jìn)世界先進(jìn)行列。

50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)：

大推力高性能、地面啟動(dòng)直接入軌、零碳排放綠色環(huán)保

性能優(yōu)異、零碳排放的大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今世界航天發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)。因此，掌握大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也成為航天強(qiáng)國(guó)發(fā)展的必然要求。

北京11所的研制人員歷經(jīng)20多年的潛心攻關(guān)，突破了高壓、大熱流推力室熱防護(hù)技術(shù)及高性能穩(wěn)定燃燒氫氧噴注器技術(shù)等43項(xiàng)動(dòng)力難題，研制出了高性能、高品質(zhì)、綠色環(huán)保的50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)了我國(guó)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)研制能力的大幅躍升。

作為我國(guó)首個(gè)地面啟動(dòng)的芯一級(jí)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)由兩臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)通過(guò)機(jī)架并聯(lián)構(gòu)成，地面推力達(dá)100噸。它采用燃?xì)獍l(fā)生器動(dòng)力循環(huán)，地面一次啟動(dòng)。

以現(xiàn)役上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為參照，50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力70噸，是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍，發(fā)動(dòng)機(jī)外廓尺寸是其5倍。它將我國(guó)運(yùn)載火箭的近地軌道運(yùn)載能力從9噸提升至25噸。

50噸級(jí)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是采用液氫、液氧作為推進(jìn)劑，燃燒產(chǎn)物是潔凈度達(dá)99.99%的純凈水，具有綠色、環(huán)保、零碳排放的特點(diǎn)，因此長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭也被稱(chēng)為“綠色火箭”。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載能力的大幅提升也得益于發(fā)動(dòng)機(jī)采用氫氧推進(jìn)劑的高能效。50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用零下253℃的液氫和零下183℃的液氧作為推進(jìn)劑。其中，液氫是火箭化學(xué)推進(jìn)劑中能量最高的燃料，與液氧燃燒所獲得的高空比沖比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提高50%，成為當(dāng)前已知推進(jìn)效率最高的化學(xué)推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

同時(shí)，在超低溫、高溫、高壓等苛刻工況下，研制人員突破了大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)箱壓預(yù)冷起動(dòng)技術(shù)，突破了泵汽蝕、軸承高溫起動(dòng)等多項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)各部件精準(zhǔn)可靠運(yùn)行，這些關(guān)鍵技術(shù)的突破使該型發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的特種材料工藝技術(shù)從100多型擴(kuò)展到500多型。以高溫合金為代表的一批特種合金材料在我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中都是首次采用。這些技術(shù)必將在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，發(fā)揮重大牽引作用。

膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)：

性能高、可靠性高，被業(yè)界喻為“最優(yōu)動(dòng)力循環(huán)”

作為芯二級(jí)主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間近800秒，可以通過(guò)多次啟動(dòng)，助推火箭進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，是國(guó)內(nèi)工作時(shí)間最長(zhǎng)的火箭主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)前的準(zhǔn)備工作

此次參與首飛的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，不存在燃?xì)獍l(fā)生器以及預(yù)燃系統(tǒng)等，避免渦輪燒蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)固有可靠性高，并容易實(shí)現(xiàn)推力和混合比的調(diào)節(jié)，使用靈活。在工作過(guò)程中，其全部推進(jìn)劑都能無(wú)損失地燃燒產(chǎn)生推力，充分發(fā)揮液氫和液氧燃燒獲得的高比沖，也因此被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為“最優(yōu)動(dòng)力循環(huán)”。

發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過(guò)程中，突破了超高轉(zhuǎn)速氫渦輪泵技術(shù)、主動(dòng)引射高空模擬試車(chē)技術(shù)等為代表的一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)成果。發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵的額定轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘65000轉(zhuǎn)，是我國(guó)目前轉(zhuǎn)速最高的渦輪泵。在超高轉(zhuǎn)速氫渦輪泵的研制過(guò)程中先后攻克了超高速小通徑多級(jí)氫泵技術(shù)、高效率反力式渦輪技術(shù)、超高速氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、小通徑鈦合金構(gòu)件精密鑄造和粉末冶金成型技術(shù)，以及超高速高DN值超低溫軸承技術(shù)等。

據(jù)查證，先進(jìn)運(yùn)載火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)代表了世界各國(guó)新一代運(yùn)載火箭的技術(shù)發(fā)展方向。世界航天大國(guó)一直沒(méi)有停止對(duì)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的步伐，其中美國(guó)在幾十年的航天活動(dòng)中，膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)一直在運(yùn)載火箭上面級(jí)動(dòng)力中占據(jù)主導(dǎo)地位，歐、俄、日等航天大國(guó)也紛紛研制各自的上面級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。我國(guó)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的首飛成功，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)將先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用的國(guó)家。

“芯”動(dòng)力研制攻關(guān)新征程

上世紀(jì)80年代末，北京11所率先提出研制大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想，并開(kāi)展了預(yù)研論證工作。2001年12月，“50噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)項(xiàng)工程”批準(zhǔn)立項(xiàng)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)作為長(zhǎng)征五號(hào)芯一級(jí)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)正式開(kāi)展研制。2003年，膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展預(yù)研論證，2006年10月作為長(zhǎng)征五號(hào)芯二級(jí)動(dòng)力裝置正式開(kāi)展研制。

吃“螃蟹”艱苦卓絕

科研的道路并非一帆風(fēng)順，隨著研制工作的不斷深入，各種問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始暴露。創(chuàng)造歷史的都是先行者，要做第一個(gè)吃到“螃蟹”的人總要經(jīng)歷艱苦卓絕的時(shí)期。

2007年1月31日，第三臺(tái)50噸大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)完成了第一次長(zhǎng)程熱試驗(yàn)。試驗(yàn)后檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，推力室出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，故障現(xiàn)象前所未見(jiàn)。之后，連續(xù)3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、3次熱試驗(yàn)，推力室仍舊出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，并伴隨著越來(lái)越嚴(yán)重的燒蝕。

面對(duì)前所未有的挫折，設(shè)計(jì)人員通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料、請(qǐng)教國(guó)內(nèi)專(zhuān)家和同行，大膽假設(shè)、細(xì)心求證，從浩如煙海的數(shù)據(jù)中“抓住”一絲絲保持架斷裂這兩只“攔路虎”。故障沒(méi)有先例可循，沒(méi)有資料可查，來(lái)自總體單位以及上級(jí)的各方不同聲音，無(wú)形中給研制人員增加了巨大的壓力。尤其是氫渦輪泵出現(xiàn)了多次軸承破壞問(wèn)題，有的甚至挺不過(guò)一次試驗(yàn)。

探索的過(guò)程是艱難的，研制團(tuán)隊(duì)孜孜不倦、潛心攻關(guān)，經(jīng)過(guò)20多次的模態(tài)試驗(yàn)，所有問(wèn)題得以解決。發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中最大的坎兒終于邁過(guò)去了，后續(xù)所有試車(chē)全部成功，至今保持了連續(xù)試車(chē)30000秒的成功紀(jì)錄。

試車(chē)告捷奠定首飛基礎(chǔ)

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭首飛之前，動(dòng)品試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量復(fù)查及風(fēng)險(xiǎn)分析等大量的保成功工作，于2015年按時(shí)完成首飛產(chǎn)品交付。

“芯”動(dòng)力航天人的新夢(mèng)想

“做到極致”是六院領(lǐng)導(dǎo)在兩型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)參加長(zhǎng)五首飛出征動(dòng)員會(huì)上送給研制隊(duì)伍的四個(gè)字，也是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)的一份樸素情懷。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件千百萬(wàn)個(gè)，可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。在整個(gè)研制過(guò)程中只有嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工程和項(xiàng)目工程的規(guī)律，將工作做到完的異常。

發(fā)射前研制隊(duì)伍與長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭合影

發(fā)射成功后的喜悅

功夫不負(fù)有心人，研制團(tuán)隊(duì)歷時(shí)一年半，終于找到了燃燒中的異常脈動(dòng)頻率，確定了高頻不穩(wěn)定燃燒的深層次故障原因。這是一個(gè)國(guó)際性難題。

確定原因后，研制團(tuán)隊(duì)一鼓作氣，對(duì)推力室采取了多項(xiàng)綜合改進(jìn)措施，僅僅用5個(gè)月就完成了方案論證、設(shè)計(jì)出圖及新產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)。2008年11月12日，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的推力室熱試驗(yàn)一舉取得圓滿(mǎn)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)的研制從此大步向前。

無(wú)獨(dú)有偶，在芯二級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，研制隊(duì)伍遇到了推力室內(nèi)壁燒蝕、氫渦輪泵軸承力系統(tǒng)試車(chē)是火箭出廠前的關(guān)鍵步驟。芯一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試車(chē)從產(chǎn)品方案到產(chǎn)品準(zhǔn)備歷時(shí)兩年半，與其他類(lèi)型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)相比，試驗(yàn)隊(duì)員們要經(jīng)受高溫、高壓、易爆、強(qiáng)震等更多危險(xiǎn)的考驗(yàn)。

2015年2月9日，兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成的芯一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)，按照飛行狀態(tài)被系固在火箭動(dòng)力系統(tǒng)試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行460秒的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，其中還包括30秒鐘的發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺試驗(yàn)，試車(chē)取得圓滿(mǎn)成功。

隨后，芯一級(jí)以及芯二級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)全系統(tǒng)動(dòng)力試車(chē)均取得圓滿(mǎn)成功。研制隊(duì)伍深入開(kāi)展技術(shù)狀態(tài)梳理、產(chǎn)美和極致，才能確保首飛成功。

臨近首飛任務(wù)時(shí)，研制隊(duì)伍一直處于高強(qiáng)度的備戰(zhàn)狀態(tài)。僅圍繞全系統(tǒng)試車(chē)，他們就開(kāi)展了67項(xiàng)600余次試驗(yàn)。每天長(zhǎng)達(dá)15個(gè)小時(shí)的工作強(qiáng)度，讓隊(duì)員們停不下來(lái)。

沒(méi)有輕松獲得的成功，沒(méi)有唾手可得的勝利。在首飛任務(wù)背后，兩型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)潛心攻關(guān)不言苦與累，拼盡全力衣帶漸寬終不悔。

站在中國(guó)航天的新起點(diǎn)上，北京11所將推動(dòng)低成本可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)、重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制攻關(guān)，在建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的路上，不忘初心，追逐新夢(mèng)想。★