以重型之力，夯強國之基

王盈

2022年11月5日，深秋的秦嶺五彩斑斕。在這最美的時候，身處山中，卻沒人有心思賞景。隨著“點火”指令發(fā)出，前所未有的強大能量撼動著整個抱龍峪試驗區(qū)，500噸級液氧煤油發(fā)動機首次整機試車在此進行。從發(fā)動機推力室噴射出的熊熊火焰，將導流槽中的冷卻水升騰成云霧般的水汽，縈繞山間。

平穩(wěn)工作一段時間后，發(fā)動機順利關機，巨龍咆哮仍回蕩在耳邊，測控大廳響起熱烈掌聲，宣告著目前我國推力最大的液體火箭發(fā)動機，也是世界上推力最大的雙噴管補燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機，取得研制歷程中里程碑式的突破。

強勁動力：為逐夢太空提供更多可能

回顧美國和俄羅斯的航天發(fā)展歷程，液氧煤油發(fā)動機以其高密度比沖、無毒環(huán)保、使用成本低等優(yōu)點，廣泛應用于運載火箭和航天飛行器，是運載火箭主動力的理想選擇。

我國從長征六號首飛開始，將120噸級液氧煤油發(fā)動機應用于新一代運載火箭的主動力，在近10年數十次的飛行中，發(fā)動機以超過百臺交付飛行產品全勝戰(zhàn)績，助力探火、探月、空間站建設等重大工程任務，書寫了新一代“金牌動力”高可靠性的傳奇。

重型運載火箭副總設計師陳暉介紹，500噸級液氧煤油發(fā)動機是目前國內推力最大的液體火箭發(fā)動機，“相比現役120噸級液氧煤油發(fā)動機，推力提高3倍，海平面比沖提高2.7%，推重比提高22%，綜合性能達到世界先進水平，可應用于大型、重型運載火箭，為滿足中國月球科考站建設、深空探測等航天活動，提供強勁的主動力選擇，進一步拓展和豐富了航天液體動力產品譜系”。

縱觀世界航天史，單看推力指標，尚有珠玉在前。

20世紀60年代，美國研制了680噸級推力開式循環(huán)的F-1液氧煤油發(fā)動機；20世紀70—80年代，蘇聯在大推力高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機技術方面取得突出成就，成功研制了740噸級推力的RD-170發(fā)動機?！暗鳛槭澜缟贤屏ψ畲蟮碾p推力室液氧煤油發(fā)動機，綜合推力、比沖、推重比等多個指標來看，500噸級液氧煤油發(fā)動機的綜合性能，已達到世界一流水平?！标悤熣f，“同時，發(fā)動機采用了泵后搖擺布局方案，填補了國內空白?！?/p>

發(fā)動機的推力有多大，航天事業(yè)的舞臺就有多大。F-1液氧煤油發(fā)動機作為土星五號重型運載火箭的主動力，托舉著人類成功邁出了載人登月的歷史步伐；RD-170發(fā)動機為能源號和天頂號等運載火箭提供了強大動力，造就了航天史上的一代傳奇。

陳暉說：“500噸液氧煤油發(fā)動機的研制，可為我國未來重型運載火箭提供強大動力，也可應用于多種構型的大型和中型運載火箭，為大幅度提升我國進入空間的能力，提供強大的動力基礎?！?/p>

創(chuàng)新超越：實現多個國內首次

據重型發(fā)動機總體室主任邢理想、渦輪泵研究室主任許開富介紹，團隊在500噸級液氧煤油發(fā)動機上實現了多個國內首次：自身分級起動、多噴管泵后搖擺、起動關機和工況調節(jié)機電一體化控制技術、圓管式擴壓器……“可以說，它代表著我國液體火箭主發(fā)動機技術水平有了階躍式提升，有力拉動相關工業(yè)技術發(fā)展?！毙侠硐胝f。

首屈一指的關鍵技術，在于泵后搖擺。所謂泵后搖擺，是指將搖擺裝置后置，使發(fā)動機在飛行過程中僅搖擺推力室部分就可實現推力矢量變化。相比于傳統(tǒng)方案，能夠有效減小發(fā)動機尺寸、減輕發(fā)動機結構重量、降低搖擺力矩。

不僅如此，泵后擺發(fā)動機減小了發(fā)動機輪廓尺寸和重量，在箭體中需求空間減少，可以在不增加箭體直徑的基礎上增加發(fā)動機的數量，提高火箭的有效載荷；降低了搖擺力矩，改善了使用維護性，推力得到提升的同時，可靠性更高。

“發(fā)動機搖擺的關鍵在于運動裝置，運動裝置的核心在于耐高溫高壓波紋管技術——這是一項之前世界上沒人能啃下的‘硬骨頭’?！敝魅卧O計師楊颯說，“在超過600 千克/ 秒的大燃氣流量和高達500℃的富氧燃氣溫度下，耐高溫高壓波紋管既要動作靈活，又要工作可靠、‘指哪打哪’，還要保證其強度和壽命，實屬‘魚和熊掌必須兼得’的要求?！?/p>

研制團隊通過細致分析，聯合高校開展攻關，歷經10多年，最終掌握具有完全自主知識產權的關鍵技術，攻克這項世界級難題。

對液體火箭發(fā)動機來說，起動、關機過程堪比“生死關”，而補燃循環(huán)500噸級液氧煤油發(fā)動機的起動，更是難上加難，不僅需要各部組件起動的先后順序、時間間隔非常精確，團隊還面臨著一項前所未有的考驗——強大的起動沖擊。

“起動沖擊是指發(fā)動機在點火瞬間產生的壓力峰對發(fā)動機結構的沖擊?！敝魅卧O計師馬冬英介紹，“幾百毫秒內，發(fā)動機推力從0攀升到超過5000千牛，巨大的沖擊和震動，會嚴重影響發(fā)動機的結構狀態(tài)。”為了解決這個問題，團隊設計了分級起動的方案，通過精準控制推進劑的流量，確保發(fā)動機可靠點火后，使推力逐步攀升，最終達到額定狀態(tài)。

此次整機試車，驗證了分級起動技術，標志著我國在火箭主動力的起動控制上，創(chuàng)造了國內第一，達到了國際先進水平。

大跨越：大塊頭有大智慧

500噸級液氧煤油發(fā)動機不僅是大力士，更是大塊頭。發(fā)動機長約3.3米，寬約3米，高約4.3米，現役120噸液氧煤油發(fā)動機在它面前就是小弟，而配套長征二號、三號、四號系列火箭的常溫推進劑火箭發(fā)動機就顯得更袖珍了，不到500噸級液氧煤油發(fā)動機的1/2。

閥門研究室主任設計師陳維宇形象地描述著：“500噸級液氧煤油發(fā)動機液氧管路直徑近500毫米，和成年人的大腿一般粗，液氧主閥更是比一個足球還大，每秒流過液氧主閥的液氧達到了1噸以上，是世界上用在火箭發(fā)動機上流量最大的液氧閥門?！睍r鐘每滴答一聲，就有超過1噸的液氧流經液氧主閥，與燃油在燃氣發(fā)生器燃燒，產生燃氣吹動渦輪，帶動泵為液氧和煤油增壓，最終在推力室完成燃燒產生推力。

“能駕馭這一系列復雜過程的，都是些大家伙?！蓖屏κ已芯渴腋敝魅伪R鋼介紹。除了世界上流量最大的液氧閥門，500噸級液氧煤油發(fā)動機還有著世界上流量最大的燃氣發(fā)生器、高壓補燃推力室。而推力室內燃氣的核心溫度，達到了驚人的3000℃以上?！斑@是屬于補燃發(fā)動機的火熱心臟?！北R鋼說。

500噸級液氧煤油發(fā)動機四肢發(fā)達，“頭腦”卻不簡單。這個大塊頭，同時也是一臺“智慧發(fā)動機”。

據重型發(fā)動機總體室副主任張曉光和電氣系統(tǒng)主任設計師魏京芳介紹，由于采用了先進的機電伺服控制技術，500噸級液氧煤油發(fā)動機具備大范圍、高精度、快速調節(jié)推力能力，設計團隊還獨創(chuàng)了“數字控制三余度、功率驅動雙余度”的驅動控制方案，以及“系統(tǒng)功能失效安全”的故障保護策略，進一步保證了發(fā)動機調節(jié)控制的可靠性。

起飛前，500噸級液氧煤油發(fā)動機可對自身狀態(tài)進行健康診斷，確認狀態(tài)正常后，快速轉入額定工況實現起飛。飛行過程采用在線實時健康診斷技術，實時進行健康監(jiān)測，及時向總體“匯報”發(fā)動機工作狀態(tài)，一旦出現異常，可關閉故障發(fā)動機，由總體根據任務需求下達指令，調節(jié)其他發(fā)動機推力，重新優(yōu)化彈道，實現彈道重構，將載荷送至目標軌道，從而極大提高火箭飛行的可靠性。

此外，團隊還提出基于泵位移突變檢測的發(fā)動機渦輪泵故障監(jiān)控方案，有效解決了大推力發(fā)動機渦輪泵軸向力特性預示困難、位移傳感器易故障等造成的誤檢和漏檢等難題?！笆菄鴥仁状?，更是國際首次?！敝魅卧O計師蒲星星自豪地說，“我們的‘智慧發(fā)動機’不僅能適配‘智慧火箭’，如果再加上多次點火等功能，發(fā)動機還可拓展應用至可重復使用領域，滿足更多任務需求。”

新紀元：首次實現全數字化三維協同設計

三維設計是未來機械產品發(fā)展的趨勢。航天六院順應國家推進革新數字化模式的潮流，決策在重型液氧煤油發(fā)動機的研制中率先采用全三維數字化設計。

“從接口協調、組件設計到整機設計，500噸級液氧煤油發(fā)動機必須全部實現三維設計。作為第一個‘吃螃蟹’的研制團隊，我們深感舉步維艱?！敝匦桶l(fā)動機總體室副主任趙劍和秦紅強回憶著。

副所長高玉閃總結道：“在研發(fā)模式轉型過程中， 整個團隊迎難而上，擔起了‘探路者’的責任——抓總搭建了基于Pro/E+Intralink+Avidm協同設計平臺，又乘勝追擊，打通了基于TC+NX協同設計平臺的數字化設計之路，進一步推廣了液體火箭發(fā)動機數字化協同設計；建立廠所IPT（Integrated ProcessTeam，簡寫為IPT，一種新型組織架構模式，譯為綜合進程小組）團隊，將協同理念貫穿三維模型設計過程，工藝提前介入研制流程，設計與工藝充分交底，減少方案反復，提高溝通效率；首次將IPT會簽引入三維模型審簽流程，實現了設計執(zhí)行過程全要素的顯性化，提升了圖樣審簽過程完善度，確保設計文件、工藝信息的準確交互和傳遞。”

同時，設計團隊系統(tǒng)梳理數字化研制經驗，牽頭梳理、編寫、發(fā)布了30余項院、所數字化標準，進一步規(guī)范了液體火箭發(fā)動機數字化研制流程和方法，促進了全三維數字化研制模式在其他型號的推廣和應用。

基于全數字化三維模型，設計團隊開展了拓撲優(yōu)化，大幅度減輕發(fā)動機重量；首次建立了包含真實物理特性的發(fā)動機和聯試裝置全三維數字樣機，在研發(fā)過程中，進行了各組件多物理場環(huán)境、系統(tǒng)及組件極限偏差、多敏感因素綜合偏差的極限包絡、發(fā)動機系統(tǒng)級匹配特性等全面的仿真分析，降低試驗風險；將仿真工作納入研制流程，仿真分析報告和仿真模型按照編、校、審批進行管理，通過試驗數據進一步修正校核仿真模型，固化仿真成果，并建立了仿真評估標準。

通過本次整機試車，全面驗證了三維設計、生產、試驗的研發(fā)流程，貫穿“數字世界多次迭代，物理世界一次成功”的理念，大幅度提高了研制效率，使發(fā)動機總體及組件性能達到國際先進水平。

新起點：航天強國建設進入快車道

試車成功那一刻，所長張曉軍感慨道：“500噸級液氧煤油發(fā)動機，是我國航天液體動力最高水平的典型代表，整機試車一次成功是中國航天動力發(fā)展史上的大事件，將助推我國由航天大國向航天強國邁進！”

中午的抱龍峪，被久違的陽光籠罩，萬山紅遍，層林盡染，震耳欲聾的發(fā)動機轟鳴戛然而止；緊接著，傳來震耳欲聾的掌聲和歡呼聲。

試車短短數秒，團隊卻為此付出了十余年。有設計員感慨，項目確立之時，孩子剛出生，發(fā)動機整機試車，孩子已到初二，發(fā)動機像是自己的另一個孩子。這重達6噸多的大國重器，究竟傾注了多少心血，只有團隊中的每個人最清楚。

好在，念念不忘，終有回響。

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