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長五發(fā)動(dòng)機(jī)威力驚人 試驗(yàn)曾兩次爆炸兩次燒毀
(2016/11/8 7:16:41)  來源:中國青年報(bào)  打印本頁

長征五號發(fā)動(dòng)機(jī)是怎樣煉成的

——揭秘中國最大火箭的“心臟”

10月28日,海南省文昌市,長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射位置。
原文配圖:10月28日,海南省文昌市,長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射位置。

  長征五號大火箭的成功首飛,將中國送入包括美國和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營,全世界為之震撼。更讓人驚嘆的是,被稱作火箭之本的發(fā)動(dòng)機(jī),竟是在“短短”10多年間研制出來,趕上這一歷史之戰(zhàn),成為大火箭首飛大捷的重要功臣。

  在長征五號的身上,共配備了3種全新大推力發(fā)動(dòng)機(jī),都是國內(nèi)首屈一指的大家伙,分別摘得我國“最大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)”“最大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)”“比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”3個(gè)桂冠。

  如果打一個(gè)比方,這些大推力的發(fā)動(dòng)機(jī),就是長征五號的“大心臟”,被認(rèn)為是運(yùn)載火箭的技術(shù)核心和技術(shù)基礎(chǔ),其技術(shù)水平在很大程度上決定著火箭的性能、可靠性和成本等關(guān)鍵指標(biāo)。中國青年報(bào)·中青在線記者采訪相關(guān)專家,揭秘這一大火箭“心臟”是怎樣煉成的。

  可把上海黃浦江的水打到青藏高原

  從鋪天蓋地的報(bào)道里,人們對于長征五號運(yùn)載火箭究竟有多大并不陌生:約57米,立起來有20層樓高,起飛質(zhì)量約900噸,不過,要托舉這么重的大家伙,并不容易。

  大火箭,離不開大推力,而大推力,離不開發(fā)動(dòng)機(jī)。

  目前,我國現(xiàn)役火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單臺推力最大只有70噸左右,想要發(fā)射超大型航天器,就顯得“力不從心”了。

  新型的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

  根據(jù)航天科技集團(tuán)六院副院長周利民的說法,由該院研制的常規(guī)推進(jìn)劑系列發(fā)動(dòng)機(jī),為“神舟”飛天、“嫦娥”奔月和多種衛(wèi)星的發(fā)射提供了動(dòng)力保證,創(chuàng)造了世界航天史上高可靠性、高成功率的傳奇,被譽(yù)為中國的“金牌動(dòng)力”。然而,航天人并未躺在這一榮譽(yù)中,停下研制更先進(jìn)技術(shù)的腳步。

  周利民說,經(jīng)過15年不懈攻關(guān),8臺全新研制的120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),被裝配在長征五號運(yùn)載火箭的4個(gè)助推器上,4臺全新研制的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),則在一級和二級火箭上各裝配了兩臺。

  在長征五號首飛成功之時(shí),有一個(gè)說法備受矚目,即這是無毒無污染綠色環(huán)保型新一代運(yùn)載火箭、起飛推力超過1000噸、運(yùn)載能力最大,等等。要達(dá)成這些目標(biāo),都離不開大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的功勞。

  那么,這些發(fā)動(dòng)機(jī)的威力究竟有多大?

  以120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為例,周利民打了個(gè)形象的比喻,渦輪泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源泉,被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”,即火箭心臟的“心臟”。這個(gè)“心臟”的最高壓強(qiáng)達(dá)到500個(gè)大氣壓,相當(dāng)于把上海黃浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。

  50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),作為長征五號的一級主動(dòng)力,也表現(xiàn)不俗。

  這是我國首臺大推力、高性能、地面起動(dòng)直接入軌的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。航天科技集團(tuán)六院副院長李斌說,它的研制成功,填補(bǔ)了我國大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)空白,使我國液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺階。

  在中國航天界,有一句話被奉為圭臬,即“發(fā)展航天、運(yùn)載先行”“運(yùn)載發(fā)展、動(dòng)力先行”。畢竟,動(dòng)力系統(tǒng)是火箭之本。

  中國工程院院士、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院運(yùn)載火箭系列總設(shè)計(jì)師龍樂豪說,長征五號的研制歷程就完美地印證了這句話。早在2000年,我國先行啟動(dòng)了120噸級液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制攻關(guān),過了6年,即2006年,長征五號才真正在國家層面取得正式立項(xiàng)。

  破解大火箭“心臟”難題

  不過,這一研制過程并不容易。

  周利民有一個(gè)形象的說法,研制發(fā)動(dòng)機(jī)就像攀登珠穆朗瑪峰的難度,“一些外國專家說,即使我們設(shè)計(jì)出來,我們也不可能把它制造出來”。

  他至今記得,面對全新的發(fā)動(dòng)機(jī),研制團(tuán)隊(duì)開始了夜以繼日的科技攻關(guān),幾十種新材料、100多種新工藝一一被攻克。然而,發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)成為一只最大的攔路虎。

  周利民說,所謂起動(dòng),就類似于飛機(jī)的起飛,而起動(dòng)技術(shù),是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難點(diǎn)和關(guān)鍵。“因?yàn)樵谄痫w階段,發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,要從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到幾萬轉(zhuǎn),溫度則從常溫一下子進(jìn)入到極高溫,而留給我們的控制時(shí)間,則是以毫秒級來計(jì)的,任何一個(gè)控制配合不好,就有可能導(dǎo)致失敗。”

  最初讓研制團(tuán)隊(duì)備受打擊的是,發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)研制出來后,其試車結(jié)果連續(xù)4次均遭失。簝纱纹饎(dòng)爆炸,兩次燃?xì)庀到y(tǒng)燒毀。

  周利民說,這些對整個(gè)研制隊(duì)伍、設(shè)計(jì)隊(duì)伍信心打擊非常大,很多人做夢都夢見爆炸的場景,吃不下飯,睡不好覺。

  經(jīng)過一段時(shí)間的攻關(guān),研制團(tuán)隊(duì)終于摸清了發(fā)動(dòng)機(jī)試車失敗的根源和發(fā)生爆炸的不同機(jī)理,通過仿真優(yōu)化,選定最理想的啟動(dòng)方案和程序,發(fā)動(dòng)機(jī)終于試車成功。

  不僅如此,凡是與發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)大“心臟”有關(guān)的,都有一個(gè)個(gè)坎兒要邁,“8Hz”難題就是其中一個(gè)。

  8Hz,聽起來比較專業(yè),但說起它帶來的影響,可能都有印象。航天科技集團(tuán)一院長征五號火箭動(dòng)力系統(tǒng)總體主管設(shè)計(jì)師于子文說,長征二號F遙5火箭產(chǎn)生的8Hz振動(dòng),就曾給我國第一位航天員楊利偉帶來極大的痛苦。

  這種共振就像人的心臟不停地抖動(dòng)一樣,嚴(yán)重威脅生命。同樣在火箭上,共振會造成箭體結(jié)構(gòu)損壞,后果不堪設(shè)想。

  作為大火箭,長征五號的體積比普通火箭更大,在飛行過程中,就可能產(chǎn)生比長征二號F遙5火箭更強(qiáng)烈的振動(dòng)。要保證火箭可靠飛行,就必須抑制這一振動(dòng)。

  于子文就是專門破解這個(gè)難題的,他所在的團(tuán)隊(duì)攻克了POGO穩(wěn)定性設(shè)計(jì)難關(guān),突破了復(fù)雜動(dòng)力學(xué)建模、大型管路動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)、大型低溫蓄壓器設(shè)計(jì)研制等關(guān)鍵技術(shù),為長征五號火箭可靠飛行提供了強(qiáng)有力保障。

  重型火箭正向我們走來,關(guān)鍵技術(shù)已在攻關(guān)

  如今,長征五號成功發(fā)射,中國從此擁有大型運(yùn)載火箭。

  這個(gè)將于2017年年底擇機(jī)執(zhí)行“嫦娥五號”發(fā)射任務(wù)、2018年擇機(jī)執(zhí)行空間站工程發(fā)射任務(wù)、2020年前后執(zhí)行火星探測器發(fā)射任務(wù)的大火箭,也為我國未來重型火箭的研制積累了相關(guān)技術(shù),這其中就不乏發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)儲備。

  根據(jù)國家航天局前局長欒恩杰的說法,長征五號的研制,牽引出“心臟”系列化,即三型高性能新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī),均采用無毒無污染的推進(jìn)技術(shù)。這三型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,使我國運(yùn)載推進(jìn)技術(shù)水平大幅提高。

  李斌舉了一個(gè)例子,他所在的航天科技集團(tuán)六院建成了亞洲最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺和大功率泵試驗(yàn)室,其中試車最大能力達(dá)到500推力噸級,這為我國研制載人登月重型運(yùn)載火箭的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

  所謂重型運(yùn)載火箭,是指近地軌道運(yùn)載能力達(dá)100噸級的一型火箭,按照欒恩杰的說法,重型運(yùn)載火箭研制成功后,將滿足未來較長時(shí)期深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動(dòng)任務(wù)需求。

  近年來,美國、俄羅斯等世界航天強(qiáng)國均把發(fā)展先進(jìn)的航天運(yùn)載技術(shù)確立為國家的重要戰(zhàn)略,紛紛制定和出臺了多項(xiàng)推動(dòng)空間技術(shù)發(fā)展的航天政策和規(guī)劃。美國重型運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”已轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造階段,俄羅斯計(jì)劃在2030年前研制出重型運(yùn)載火箭并實(shí)現(xiàn)載人登月。

  長征五號首飛成功的當(dāng)天晚上,國防科工局總工程師、國家航天局秘書長田玉龍就披露,我國的重型火箭也已經(jīng)在路上。

  田玉龍說,國防科工局已于2010年開展重型運(yùn)載火箭論證,歷時(shí)一年形成總體方案,通過組織深化論證并經(jīng)相關(guān)領(lǐng)域院士專家咨詢,在2015年明確了重型運(yùn)載火箭技術(shù)方案。

  目前,我國已經(jīng)批準(zhǔn)重型運(yùn)載火箭第一個(gè)研制階段立項(xiàng)研制,即關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及方案深化論證階段。從2015年起,利用4~5年時(shí)間,開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作,集中突破一大批核心技術(shù)。

  而發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,又將是其中的重頭戲。


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