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长征五号发动机是怎样炼成的

2016-11-09 13:33 新闻网 点击次数 :

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  10月28日,海南省文昌市,长征五号运载火箭在海南文昌发射场垂直转运至发射位置。

  长征五号大火箭的成功首飞,将中国送入包括美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营,全世界为之震撼。更让人惊叹的是,被称作火箭之本的发动机,竟是在“短短”10多年间研制出来,赶上这一历史之战,成为大火箭首飞大捷的重要功臣。

  在长征五号的身上,共配备了3种全新大推力发动机,都是国内首屈一指的大家伙,分别摘得我国“最大推力液氧煤油发动机”“最大推力氢氧发动机”“比冲性能最高的火箭发动机”3个桂冠。

  如果打一个比方,这些大推力的发动机,就是长征五号的“大心脏”,被认为是运载火箭的技术核心和技术基础,其技术水平在很大程度上决定着火箭的性能、可靠性和成本等关键指标。中国青年报·中青在线记者采访相关专家,揭秘这一大火箭“心脏”是怎样炼成的。

  可把上海黄浦江的水打到青藏高原

  从铺天盖地的报道里,人们对于长征五号运载火箭究竟有多大并不陌生:约57米,立起来有20层楼高,起飞质量约900吨,不过,要托举这么重的大家伙,并不容易。

  大火箭,离不开大推力,而大推力,离不开发动机。

  目前,我国现役火箭发动机单台推力最大只有70吨左右,想要发射超大型航天器,就显得“力不从心”了。

  新型的大推力发动机应运而生。

  根据航天科技集团六院副院长周利民的说法,由该院研制的常规推进剂系列发动机,为“神舟”飞天、“嫦娥”奔月和多种卫星的发射提供了动力保证,创造了世界航天史上高可靠性、高成功率的传奇,被誉为中国的“金牌动力”。然而,航天人并未躺在这一荣誉中,停下研制更先进技术的脚步。

  周利民说,经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机,被装配在长征五号运载火箭的4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机,则在一级和二级火箭上各装配了两台。

  在长征五号首飞成功之时,有一个说法备受瞩目,即这是无毒无污染绿色环保型新一代运载火箭、起飞推力超过1000吨、运载能力最大,等等。要达成这些目标,都离不开大推力发动机的功劳。

  那么,这些发动机的威力究竟有多大?

  以120吨液氧煤油发动机为例,周利民打了个形象的比喻,涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的“心脏”,即火箭心脏的“心脏”。这个“心脏”的最高压强达到500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。

  50吨氢氧发动机,作为长征五号的一级主动力,也表现不俗。

  这是我国首台大推力、高性能、地面起动直接入轨的氢氧发动机。航天科技集团六院副院长李斌说,它的研制成功,填补了我国大推力氢氧发动机空白,使我国液体火箭推进技术的整体水平跨上一个大的台阶。

  在中国航天界,有一句话被奉为圭臬,即“发展航天、运载先行”“运载发展、动力先行”。毕竟,动力系统是火箭之本。

  中国工程院院士、中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪说,长征五号的研制历程就完美地印证了这句话。早在2000年,我国先行启动了120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机研制攻关,过了6年,即2006年,长征五号才真正在国家层面取得正式立项。

  破解大火箭“心脏”难题

  不过,这一研制过程并不容易。

  周利民有一个形象的说法,研制发动机就像攀登珠穆朗玛峰的难度,“一些外国专家说,即使我们设计出来,我们也不可能把它制造出来”。

  他至今记得,面对全新的发动机,研制团队开始了夜以继日的科技攻关,几十种新材料、100多种新工艺一一被攻克。然而,发动机的起动成为一只最大的拦路虎。

  周利民说,所谓起动,就类似于飞机的起飞,而起动技术,是发动机研制的难点和关键。“因为在起飞阶段,发动机的转速,要从静止状态转到几万转,温度则从常温一下子进入到极高温,而留给我们的控制时间,则是以毫秒级来计的,任何一个控制配合不好,就有可能导致失败。”

  最初让研制团队备受打击的是,发动机样机研制出来后,其试车结果连续4次均遭失败:两次起动爆炸,两次燃气系统烧毁。

  周利民说,这些对整个研制队伍、设计队伍信心打击非常大,很多人做梦都梦见爆炸的场景,吃不下饭,睡不好觉。

  经过一段时间的攻关,研制团队终于摸清了发动机试车失败的根源和发生爆炸的不同机理,通过仿真优化,选定最理想的启动方案和程序,发动机终于试车成功。

  不仅如此,凡是与发动机这个大“心脏”有关的,都有一个个坎儿要迈,“8Hz”难题就是其中一个。

  8Hz,听起来比较专业,但说起它带来的影响,可能都有印象。航天科技集团一院长征五号火箭动力系统总体主管设计师于子文说,长征二号F遥5火箭产生的8Hz振动,就曾给我国第一位航天员杨利伟带来极大的痛苦。

  这种共振就像人的心脏不停地抖动一样,严重威胁生命。同样在火箭上,共振会造成箭体结构损坏,后果不堪设想。

  作为大火箭,长征五号的体积比普通火箭更大,在飞行过程中,就可能产生比长征二号F遥5火箭更强烈的振动。要保证火箭可靠飞行,就必须抑制这一振动。

  于子文就是专门破解这个难题的,他所在的团队攻克了POGO稳定性设计难关,突破了复杂动力学建模、大型管路动态特性试验、大型低温蓄压器设计研制等关键技术,为长征五号火箭可靠飞行提供了强有力保障。

  重型火箭正向我们走来,关键技术已在攻关

  如今,长征五号成功发射,中国从此拥有大型运载火箭。

  这个将于2017年年底择机执行“嫦娥五号”发射任务、2018年择机执行空间站工程发射任务、2020年前后执行火星探测器发射任务的大火箭,也为我国未来重型火箭的研制积累了相关技术,这其中就不乏发动机的技术储备。

  根据国家航天局前局长栾恩杰的说法,长征五号的研制,牵引出“心脏”系列化,即三型高性能新型火箭发动机,均采用无毒无污染的推进技术。这三型发动机的研制,使我国运载推进技术水平大幅提高。

  李斌举了一个例子,他所在的航天科技集团六院建成了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,其中试车最大能力达到500推力吨级,这为我国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。

  所谓重型运载火箭,是指近地轨道运载能力达100吨级的一型火箭,按照栾恩杰的说法,重型运载火箭研制成功后,将满足未来较长时期深空探测、载人月球探测等国家重大科技活动任务需求。

 

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