劉志讓：我們攻克的是火箭的“心臟”難題

王哲

從北斗組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射到“嫦娥”成功登月，再到今年春節(jié)檔熱映的中國第一部硬科幻電影《流浪地球》形成全民熱潮，越來越多的國人對航天事業(yè)產(chǎn)生了濃厚興趣，大眾的航天熱和太空探索熱持續(xù)升溫。

在電影《流浪地球》中，一萬座行星發(fā)動機全功率開啟，驅(qū)使整個地球離開太陽系踏上流浪之旅的影像震撼人心。在這部科幻電影的設定里，第一批利用重元素聚變?yōu)槿剂系男行前l(fā)動機2040年前建成；而在現(xiàn)實中，按照規(guī)劃，到2040年，我國未來一代運載火箭將投入應用，空間運輸系統(tǒng)實現(xiàn)長時間多次星際往返，組合動力兩級重復使用運載器研制成功，核動力空間穿梭機出現(xiàn)重大突破。這已經(jīng)不是科幻。

火箭動力有多大，航天的舞臺就有多大。航空航天領域的發(fā)動機制造一直是我國的短板，長期受制于人，而正是在中國航天科技集團第六研究院院長劉志讓等一批航天人的不懈努力下，中國才打破了西方壟斷，成為繼美俄之后能擁有國產(chǎn)重型火箭發(fā)動機的國家。劉志讓院長近期接受了《中國報道》記者的專訪，講述他親歷的我國新一代運載火箭研發(fā)的光輝歷程以及我國宇航動力的遠大未來。

創(chuàng)新發(fā)展“長征”路

“無論是在首都北京液體動力從零起步的白手起家，還是在三線建設時期的艱苦創(chuàng)業(yè)；無論是搬遷西安后的發(fā)展壯大，還是兩次戰(zhàn)略重組的融合發(fā)展，在中國航天波瀾壯闊的崢嶸歲月中，航天六院人始終堅持不懈地努力?！眲⒅咀尭嬖V《中國報道》記者，50多年來，航天六院自主研制了100多種不同型號、不同性能、不同用途的液體火箭發(fā)動機及空間推進系統(tǒng)，應用于長征系列運載火箭，將100多顆衛(wèi)星以及飛船送往預定軌道。

伴隨著我國新一代運載火箭長征五號、長征六號、長征七號的完美首飛，中國航天已經(jīng)有了向深空進軍的最重要物質(zhì)基礎。推舉這三型火箭升空的正是120噸級高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機，它代表著我國運載火箭發(fā)動機的最高水平，是新一代航天動力，它將我國近地軌道運載能力從9.5噸提升到25噸，是我國后續(xù)探月工程、空間實驗室、空間站等發(fā)射任務的主要動力。

發(fā)動機是火箭和航天器的“心臟”，研制無毒、無污染、高性能、綠色環(huán)保的新型大推力液體火箭發(fā)動機，并在重大航天工程上使用，是人類探索深空的需求，也是世界各航天大國夢寐以求的目標。

早在上世紀80年代中后期，我國著名火箭發(fā)動機專家、時任067基地（航天六院的前身）主任張貴田，就率先提出中國要發(fā)展綠色環(huán)保液體火箭發(fā)動機。懷揣著研制綠色環(huán)保液氧煤油發(fā)動機的夢想，一批又一批的科研人員開始了艱難而執(zhí)著的探索。

液氧煤油發(fā)動機的研制可謂攀登世界航天動力領域的“珠穆朗瑪峰”。液氧煤油發(fā)動機采用的推進劑和循環(huán)方式與傳統(tǒng)發(fā)動機完全不同，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設計參數(shù)上，也比傳統(tǒng)發(fā)動機高出數(shù)倍。這就要求科研人員在結(jié)構(gòu)設計、材料、工藝、試驗等諸多方面必須采用一系列先進技術(shù)，大大增加了發(fā)動機研制的難度。突破這些關鍵技術(shù)，不僅是對航天六院幾十年來液體火箭發(fā)動機已有認知的創(chuàng)新實踐，也是對未知領域的大膽探索。

“20多年前，當我們將液氧煤油發(fā)動機作為發(fā)展方向時，工業(yè)水平與世界先進技術(shù)有著很大的差距，特殊材料、工藝設備和檢驗手段根本沒有，研制的艱辛可想而知?！眲⒅咀尡硎?，“當時，國內(nèi)外普遍認為我們搞不出來，有國外權(quán)威專家甚至說，‘即使你們能把發(fā)動機設計出來，也無法制造出來。 ”

在外界的一片質(zhì)疑聲中，劉志讓和他的同事們更加堅定了一定要研制出液氧煤油發(fā)動機的信心與決心。“這一火箭新動力若研制成功可以使我國快速跨入世界航天強國，我們沒有理由不堅持?！?/p>

航天六院迎難而上，組建了一支由老中青科研人員組成的液氧煤油發(fā)動機研制團隊，開始了艱苦卓絕的攻關。面對前所未有的新技術(shù)、國內(nèi)鮮有的新材料、無從借鑒的新工藝，科研人員向一個個難關發(fā)起了挑戰(zhàn)。通過對我國基礎工業(yè)水平和我國已有火箭發(fā)動機的研制基礎進行分析，他們確定了各階段的研制目標、主要內(nèi)容，對關鍵技術(shù)和核心技術(shù)集中力量逐一攻克。

“我們幾乎跑遍了全國所有相關的高校、研究院所，聽說了我們的目標，大家?guī)缀醵己翢o保留、傾其所有，在大家的共同支持下，終于艱難起步了?！眲⒅咀尭嬖V記者。

經(jīng)過持續(xù)攻關，航天六院先后完成了液氧煤油發(fā)動機總體方案論證，開展了對富氧燃氣發(fā)生器、主渦輪泵關鍵技術(shù)和主要閥門技術(shù)的研究探索，攻克了液氧煤油發(fā)動機燃氣發(fā)生器—渦輪泵聯(lián)動試驗等一系列關鍵技術(shù)，并于2000年通過了國家的正式立項。從此，液氧煤油發(fā)動機的研究攻關工作步入正軌，研制團隊的信心更足了。

正式立項后，隨著研制進程的深入，液氧煤油發(fā)動機所面臨的一系列新的技術(shù)難關又橫亙在研制團隊面前。在液氧煤油發(fā)動機研制初期，啟動問題就成為擺在設計人員面前的第一道難關?！耙后w火箭發(fā)動機啟動是最復雜最難的設計，在幾秒甚至零點幾秒內(nèi)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動件要從靜止狀態(tài)加速到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速，燃燒組件要從環(huán)境溫度達到三四千攝氏度的高溫，在啟動過程的千分之幾秒內(nèi)，任何一個環(huán)節(jié)設計不好都可能導致發(fā)動機故障乃至爆炸，失敗與曲折是常有的事?！眲⒅咀尰貞浾f。

“2001年，120噸液氧煤油發(fā)動機先后進行了4次整機試車，全部失敗，有兩次是因啟動不正常導致發(fā)動機發(fā)生爆炸，還有兩次是燃氣系統(tǒng)燒毀。讓研發(fā)人員的壓力倍增，經(jīng)過近半年的艱苦攻關，找到了失敗的根本原因，液氧煤油發(fā)動機才終于取得突破?！眲⒅咀尰貞浾f，“當時，隨著失敗的次數(shù)增多，設計人員的壓力越來越大，大家都整晚整晚地睡不好覺，我記得當時有一段時間一睡著就夢到試車失敗的火光和濃煙，太煎熬了。每次試車前夕，就是我們精神最緊張壓力最大的時候。”

“進入到液氧煤油發(fā)動機產(chǎn)品大會戰(zhàn)后，發(fā)動機零部組件生產(chǎn)制造所有車間倒排工期，零件交接均以小時計算。我們很多工作人員幾個月都沒睡過一個囫圇覺?！眲⒅咀寣τ浾哒f，每個設計人員都沒有氣餒，而是發(fā)揮各自的聰明才智，千方百計地收集資料，提出新方案，不斷修正啟動仿真模型，優(yōu)化啟動程序。

經(jīng)過半年努力攻關，研發(fā)團隊終于摸清了試車失敗的根源和機理，完成了50多頁的設計報告，提出了發(fā)動機新的啟動方案和啟動程序。設計人員在隨后的試車中，發(fā)動機啟動平穩(wěn)，工作正常，按預定程序關機，起動過程與仿真結(jié)果良好吻合，液氧煤油發(fā)動機研制終于制服了“啟動”這只攔路虎，取得了里程碑式的突破。

心懷祖國創(chuàng)造奇跡

“我們的研發(fā)團隊中，既有耄耋之年仍然奮斗在科研一線的老科學家，又有一大批懷揣夢想、敬業(yè)奉獻的中青年技術(shù)骨干。他們的收入在全行業(yè)中最多只能算中上等，但他們肩負的壓力和責任則是大多數(shù)工作所無法比擬的。這些默默無聞的奮斗者，時時刻刻心懷祖國，不忘責任和使命，用智慧和力量創(chuàng)造了奇跡。”劉志讓對記者說。

10余年間，航天六院科研人員經(jīng)歷了無數(shù)次失敗與挫折，突破了近80項設計、制造、試驗技術(shù)，帶動了我國50余種新材料的研制。液氧煤油發(fā)動機研制成功，使我國成為世界上第二個掌握液氧煤油發(fā)動機核心及關鍵技術(shù)的國家，顯著提升了我國進出宇宙空間的能力，是我國由航天大國邁向航天強國的重要標志。

“以往的傳統(tǒng)發(fā)動機需要依靠專門的火藥啟動器等裝置，而液氧煤油發(fā)動機實現(xiàn)了自身啟動，相當于把老式的手搖拖拉機改造為一擰鑰匙即能啟動的汽車；液氧煤油發(fā)動機就如同自動擋汽車，可以實現(xiàn)無級變速，對載人航天來說，可以有效降低火箭飛行中的加速度，提高航天員的舒適度，降低對航天員的體能要求，使普通人也有望遨游太空；液氧煤油發(fā)動機的‘心臟渦輪泵產(chǎn)生的最高壓強可達到500個大氣壓，相當于能夠把上海黃浦江的水，打到海拔5000米的青藏高原。” 劉志讓向記者講述液氧煤油發(fā)動機研發(fā)成功的重大意義，“未來，科研人員可以在液氧煤油發(fā)動機基礎上研制出能夠重復使用的發(fā)動機，使運載火箭實現(xiàn)天地往返、重復飛行。”

為了研制液氧煤油發(fā)動機，航天六院建設了亞洲最大的火箭發(fā)動機試車臺和大功率泵實驗室，為我國研制載人登月重型運載火箭的大推力發(fā)動機奠定了基礎。

劉志讓帶領下的航天六院，一步步突破了國外技術(shù)封鎖，突破了從常規(guī)推進劑到高能低溫推進劑、推力從毫牛級到120噸級液氧煤油發(fā)動機等一系列液體火箭發(fā)動機關鍵和核心技術(shù)，研制出了上百種適用于長征系列火箭的液體火箭發(fā)動機，滿足了從常溫到低溫、串聯(lián)到捆綁、一箭單星到一箭多星、發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射飛船、發(fā)射地球軌道航天器到發(fā)射深空探測器的需要，為廣播通信、氣象、資源等系列衛(wèi)星及神舟飛船等提供空間推進系統(tǒng)。

“在軍民融合領域，我們也做了大量的工作，比如大家在《流浪地球》中看到的行星發(fā)動機噴射的等離子體其實并不完全是科學幻想，我們甚至已經(jīng)把相關火箭發(fā)動機等離子體點火技術(shù)應用到了民用領域。”劉志讓介紹說，依托軍民融合平臺——陜西省等離子體物理與應用技術(shù)重點實驗室，通過火箭發(fā)動機等離子體點火技術(shù)的拓展應用，利用高電壓引弧，通過等離子體炬產(chǎn)生高溫等離子束，引入1600℃高溫的氣化爐，使固體廢棄物中的有機物完全裂解氣化為可燃性氣體，無機物質(zhì)高溫熔融為玻璃態(tài)物質(zhì)并回收利用，使危險廢棄物徹底無害化，無二惡英產(chǎn)生并固化重金屬，可以處理任何固體廢棄物。

建成世界一流宇航動力公司

3月24日，中國航天科技集團有限公司六院某試驗區(qū)指揮控制中心傳來一片歡呼聲，我國自主研發(fā)的500噸級液氧煤油發(fā)動機燃氣發(fā)生器的渦輪泵聯(lián)動試驗取得圓滿成功，這意味著我國500噸級重型火箭發(fā)動機邁出了關鍵性的一步，而這款500噸級的發(fā)動機型號為YF-480型，將是當之無愧的“國產(chǎn)心臟”，展現(xiàn)中國在重型火箭發(fā)動機領域的實力與成就。

據(jù)劉志讓介紹，目前，俄羅斯占據(jù)了重型火箭發(fā)動機領域的第一寶座，其研制的RD-170火箭發(fā)動機的推力達790噸，其次是美國的F-1火箭發(fā)動機，推力達690噸，而中國的YF-480型將成為僅次于美俄的又一款重型火箭發(fā)動機。

YF-480型火箭發(fā)動機，將成為我國正在研發(fā)的重型運載火箭長征9號的最強心臟。而長征9號運載火箭，是我國長征系列運載火箭中運載能力最強的一款，在未來將擔負起中航的各項重大航天任務，例如載人登月項目、國際空間站的建立以及火星登陸等深空探測項目。

“3月份，長征系列運載火箭迎來了第300次發(fā)射的里程碑，載人航天工程長征五號乙運載火箭目前已經(jīng)全面進入試樣研制，后續(xù)將開展首飛前準備；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將完成7箭10星發(fā)射任務，這些成就的取得同中國航天液體動力事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的非凡歷程是分不開的?！眲⒅咀屜蛴浾呓榻B說，目前，長征九號運載火箭的先期關鍵技術(shù)攻關、方案深化論證階段的工作，包括“重型運載火箭總體技術(shù)”“大推力液氧煤油發(fā)動機技術(shù)”等12項重大關鍵技術(shù)攻關即將收尾。長征九號箭體直徑達9.5米，全箭總長近百米，運載能力是目前我國火箭最大運載能力的5倍以上，未來將執(zhí)行我國載人登月、深空探測等重大工程項目的發(fā)射任務。

劉志讓對《中國報道》記者描繪了中國航天未來的遠大圖景：我國在2020年至2030年間規(guī)劃了4次深空探測任務，包括首次火星探測、小行星探測、火星取樣返回，木星及行星系穿越。其中首次火星探測任務將于2020年底前完成火星探測器的發(fā)射，對火星進行環(huán)繞、著陸和巡視探測。2030年重型運載火箭實現(xiàn)首飛。2035年，運載火箭實現(xiàn)完全重復使用，以智能化和先進動力為特點的未來一代運載火箭實現(xiàn)首飛。2040年，我國未來一代運載火箭將投入應用，空間運輸系統(tǒng)實現(xiàn)長時間多次星際往返，組合動力兩級重復使用運載器研制成功，核動力空間穿梭機出現(xiàn)重大突破。

“對太空的探索永無止境，我們現(xiàn)在承擔的好多任務是我們很多年前就設想到的，但那時認為非常遙遠，可能得要幾代人的努力，結(jié)果沒過多長時間我們就實現(xiàn)了。就拿300次宇航發(fā)射來說，前100次用了37年，第二個100次用了7年，第三個100次用了4年……我們現(xiàn)在的想象，也許在不久的將來就能成為現(xiàn)實?！眲⒅咀屨f。