??中國航天科技集團第六研究院研制新一代大推力火箭發(fā)動機紀實
堅定不移謀創(chuàng)新
7月29日，中國航天科技集團公司第六研究院（簡稱六院），新一代大推力120噸液氧煤油火箭發(fā)動機點火熱試車再獲成功。
這僅是該發(fā)動機研制歷程中無數(shù)次試車成功中的一次，而在業(yè)內(nèi)，此次試車成功卻引起了專家學者的高度贊譽。
“這臺儲存了3年、此前已經(jīng)歷過兩次極限工況熱試車考驗的發(fā)動機，在又一次挑戰(zhàn)極限考驗中表現(xiàn)完美�！敝袊教炜萍技瘓F總經(jīng)理馬興瑞說。他介紹，兩個月前，國防科工局剛剛完成了對該型號發(fā)動機的項目驗收，標志著我國成為繼俄羅斯之后第二個完全掌握液氧煤油高壓補燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機核心技術(shù)的國家。如今它再次向世人宣告，中國航天動力的新舊更迭已勢不可擋，新一代運載火箭發(fā)動機的研制成功，將大大加快中國由航天大國邁向航天強國的步伐。
院士的淚
“在新一代運載火箭液氧煤油發(fā)動機整機研制初期，失敗與挫折是家常便飯�！敝袊こ淘涸菏�、六院科技委主任張貴田如是說。
發(fā)展航天，動力先行。從某種程度來說，人類探索太空的能力，取決于航天發(fā)動機的推力。以推舉神舟九號與天宮一號圓滿完成載人交會對接任務(wù)的長征二號F火箭為代表的我國現(xiàn)役長征系列運載火箭，雖已取得舉世矚目的成績，但其推力已經(jīng)不能滿足未來航天技術(shù)發(fā)展的需求，研制新一代液體火箭發(fā)動機顯得格外迫切。
現(xiàn)階段我國使用的發(fā)動機單臺推力是70噸左右，火箭的運載能力9噸上下。120噸級液氧煤油發(fā)動機采用了目前世界上最先進的高壓補燃循環(huán)系統(tǒng)，其推力比我國現(xiàn)有長征系列運載火箭發(fā)動機提高60%以上，運載能力是原來3倍左右，不僅采用的推進劑、循環(huán)方式與常規(guī)發(fā)動機不同，在最高壓力、渦輪功率、推進劑流量等設(shè)計參數(shù)上，也比現(xiàn)有發(fā)動機高出數(shù)倍，在推力噸位、性能方面有大幅度提高。
與常規(guī)發(fā)動機相比，液氧煤油發(fā)動機還具備諸多的優(yōu)點：一是推力大；二是沒有污染，液氧和煤油都是環(huán)保燃料，而且易于存貯和運輸；三是經(jīng)濟，比常規(guī)發(fā)動機推進劑便宜60%；四是可靠性高；五是可重復使用。
然而，該發(fā)動機的研制歷程則充滿了艱辛。對1999年發(fā)生的那次意外，張貴田印象尤為深刻。
1999年，為進一步驗證各組合件的可靠性和準確性，在把工況提高到100噸的狀態(tài)下，六院于7月組織了組合件聯(lián)動試驗。結(jié)果試驗發(fā)生了燃燒現(xiàn)象，這為科研人員的心中壓上了一塊巨石。
晚飯時，航天老專家錢維松勸張貴田：“試驗有成有敗，不要太難過。”話音剛落，張貴田的眼淚奪眶而出。
液氧煤油發(fā)動機不僅采用的推進劑、循環(huán)方式與過去常規(guī)發(fā)動機不同，而且在推力噸位、性能、可靠性方面比現(xiàn)有發(fā)動機有大幅度提高，這就意味著發(fā)動機及各部件在比現(xiàn)有發(fā)動機更惡劣的條件下工作。這不僅加大了發(fā)動機的設(shè)計難度，而且對加工、試驗設(shè)備以及材料、工藝等提出了更高要求。
對于液體火箭發(fā)動機來說，啟動和關(guān)機是最復雜、最難設(shè)計的動態(tài)過程，尤其是啟動過程，在零點幾秒內(nèi)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動件要從不轉(zhuǎn)動加速到每秒幾萬轉(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，啟動過程的每個指令都必須精確到百分之幾秒，甚至千分之幾秒。任何一個環(huán)節(jié)設(shè)計不好，都可能導致故障甚至爆炸。
幾次整機試車失敗后，外界出現(xiàn)了質(zhì)疑聲，這使設(shè)計人員的壓力越來越大，甚至在睡夢中都常常夢到試車失敗的沖天火光和滾滾濃煙。
為了找到問題的根源，科研人員放棄了休息日，一心撲在工作上，千方百計收集資料，絞盡腦汁尋找故障的癥結(jié)，利用仿真技術(shù)模擬啟動失敗和爆炸的過程……經(jīng)過近半年緊張激烈的艱苦攻關(guān)，他們終于摸清了試車失敗的根源和機理，最終選定了最理想的啟動方案和啟動程序。
“六院人的性格如同他們所研制的發(fā)動機，意志堅如鋼，心中一團火，傾力鑄神箭，勇為先行官，樸實又沉穩(wěn)，甘當鋪路石。”六院黨委書記黃亮表示，在新一代火箭發(fā)動機研制過程中，六院人所表現(xiàn)出的敢打敢拼、不屈不撓和先行一步、領(lǐng)先一路的品格，正是發(fā)動機人格化的體現(xiàn)。
三大難關(guān)
憑著鍥而不舍、百折不撓的精神，六院研制人員闖過了一道道技術(shù)難關(guān)，使發(fā)動機連闖渦輪泵聯(lián)動試驗、半系統(tǒng)試驗、整機試驗三大難關(guān)，成功實現(xiàn)整機600秒長程試驗。
由于液氧煤油發(fā)動機為高壓補燃循環(huán)系統(tǒng)，渦輪泵轉(zhuǎn)速高、壓力高、功率大，巨大的振動引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)破壞，不能進行長時間與高工況的試車。“減振”便成為整機研制過程中又一個大問題。
科研人員開展了渦輪泵減振攻關(guān)，分析了參與試車的渦輪泵所有數(shù)據(jù)，特別是高速轉(zhuǎn)子的軸向和徑向位移、振動、壓力脈動數(shù)據(jù)。弄清楚了高速轉(zhuǎn)子的動特性、振型和引起振動的主要因素，并加班加點設(shè)計生產(chǎn)了高速轉(zhuǎn)子動力學實驗裝置。
高速轉(zhuǎn)子動力學實驗在該研究院還是首次進行，無任何經(jīng)驗借鑒，技術(shù)人員邊設(shè)計邊生產(chǎn)，將近200公斤重的實驗裝置運到1月最冷的哈爾濱，并自己帶上百公斤重的實驗用所有裝配、實驗工裝設(shè)備。
實驗期間，科研人員不顧零下20攝氏度的嚴寒，每天從清早開始，一直工作到晚上10點，在兩個星期內(nèi)進行了23種狀態(tài)的渦輪泵轉(zhuǎn)子動力學實驗，找到了影響渦輪泵轉(zhuǎn)子動特性的主要因素。隨后根據(jù)實驗結(jié)果確定了對渦輪泵進行改進的措施，并在后續(xù)的發(fā)動機試車中逐步實施。改進后的渦輪泵振動減小，一次裝配能連續(xù)進行5次試車，一次試車時間能達到發(fā)動機額定工作時間的3倍，終于滿足了發(fā)動機的要求。
推力室是整機中最大、結(jié)構(gòu)最為復雜的一個組合件，也是整機研制的關(guān)鍵。由于推力室制造工藝難度較大，為解決這些技術(shù)難題，六院組成了工藝、設(shè)計、試驗以及技術(shù)管理人員聯(lián)合組成的推力室攻關(guān)小組。
攻關(guān)小組針對渦輪泵聯(lián)試中暴露出的問題，進行了新一回合的渦輪泵、閥門等組合件設(shè)計工藝改進研究工作。對噴嘴加工、厚壁變截面管成形、內(nèi)壁螺旋銑槽、頭部釬焊、收擴段脹型等關(guān)鍵工藝技術(shù)進行攻關(guān)。在研制人員的不懈努力下，經(jīng)過多個方案多個回合的研制攻關(guān)后，終于完成了推力室生產(chǎn)。
在國外航天專家眼里，建設(shè)一座數(shù)百噸推力規(guī)模的發(fā)動機試車臺，從主體奠基到正式試驗投產(chǎn)，至少要用3年時間，而六院人僅用了一年半。經(jīng)過考臺試車和正式試車的驗證，這座亞洲第一試車臺的總體設(shè)計、技術(shù)、設(shè)備等指標均達到了國內(nèi)外先進水平。
2006年7月3日下午，秦嶺深處，漫山碧透，試車臺畔，溪水潺潺。隨著震耳欲聾的巨響，試車開始。只見導流槽流水嘩嘩，富氧燃氣彌漫山谷。600秒的時間，此刻顯得格外漫長。最終，液氧煤油發(fā)動機首次長程試車獲得成功。
讓中國航天走得更遠
“自2000年國家正式立項進入工程研制的12年間，液氧煤油發(fā)動機已先后進行了百余次試車�！敝鸺l(fā)動機專家、六院院長譚永華說，“這當中，有飽嘗失敗的痛苦，但更多的是失敗之后，六院人自主創(chuàng)新的步履更加堅實，攻堅克難的步伐更加加快�！�
六院人在收獲新一代大推力火箭發(fā)動機研制成功喜悅的同時，更成就了中國航天的新高度。12年來，六院科研人員迎難而上，從對高壓補燃循環(huán)發(fā)動機的一知半解，到突破80余項關(guān)鍵和核心技術(shù)，先后研制出3種基本型發(fā)動機，以及5種適應(yīng)不同火箭總體的飛行狀態(tài)發(fā)動機。目前，所有飛行狀態(tài)發(fā)動機均已完成考核任務(wù)，開始交付火箭總體進行相關(guān)試驗。屆時，中國人的太空之路將會走得更遠。
與此同時，新一代大推力火箭發(fā)動機的研制，直接帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。譚永華介紹，在六院新一代大推力液氧煤油發(fā)動機研制中，為了解決高低溫、高壓、強氧化、高轉(zhuǎn)速、大功率等問題，六院與相關(guān)單位一起研制開發(fā)了近50種新材料，包括高強度耐氧化的不銹鋼、高溫合金、納米涂層、鍍層、橡膠等。在新工藝方面，通過技術(shù)攻關(guān)突破了30多項關(guān)鍵工藝，其中多項技術(shù)達到國內(nèi)甚至國際領(lǐng)先水平。這些新材料、新工藝一經(jīng)問世，就受到其他行業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用，促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
“發(fā)動機技術(shù)的一項項突破，不僅直接引領(lǐng)了航天事業(yè)的發(fā)展，還為國民經(jīng)濟和普通百姓日常生活水平的提高注入了新的科技力量�！弊T永華說。（記者付毅飛）
《科技日報》（-7-30一版）
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