??中國航天科技集團(tuán)第六研究院研制新一代大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)紀(jì)實(shí)
堅(jiān)定不移謀創(chuàng)新
7月29日，中國航天科技集團(tuán)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火熱試車再獲成功。
這僅是該發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)者的高度贊譽(yù)。
“這臺(tái)儲(chǔ)存了3年、此前已經(jīng)歷過兩次極限工況熱試車考驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在又一次挑戰(zhàn)極限考驗(yàn)中表現(xiàn)完美�！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)總經(jīng)理馬興瑞說。他介紹，兩個(gè)月前，國防科工局剛剛完成了對(duì)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的項(xiàng)目驗(yàn)收，標(biāo)志著我國成為繼俄羅斯之后第二個(gè)完全掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的國家。如今它再次向世人宣告，中國航天動(dòng)力的新舊更迭已勢不可擋，新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，將大大加快中國由航天大國邁向航天強(qiáng)國的步伐。
院士的淚
“在新一代運(yùn)載火箭液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研制初期，失敗與挫折是家常便飯�！敝袊こ淘涸菏俊⒘嚎萍嘉魅螐堎F田如是說。
發(fā)展航天，動(dòng)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(dòng)機(jī)的推力。以推舉神舟九號(hào)與天宮一號(hào)圓滿完成載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)的長征二號(hào)F火箭為代表的我國現(xiàn)役長征系列運(yùn)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(dòng)機(jī)顯得格外迫切。
現(xiàn)階段我國使用的發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)推力是70噸左右，火箭的運(yùn)載能力9噸上下。120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了目前世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，其推力比我國現(xiàn)有長征系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高60%以上，運(yùn)載能力是原來3倍左右，不僅采用的推進(jìn)劑、循環(huán)方式與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，在最高壓力、渦輪功率、推進(jìn)劑流量等設(shè)計(jì)參數(shù)上，也比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相比，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還具備諸多的優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)輸；三是經(jīng)濟(jì)，比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑便宜60%；四是可靠性高；五是可重復(fù)使用。
然而，該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制歷程則充滿了艱辛。對(duì)1999年發(fā)生的那次意外，張貴田印象尤為深刻。
1999年，為進(jìn)一步驗(yàn)證各組合件的可靠性和準(zhǔn)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(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果試驗(yàn)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(shí)，航天老專家錢維松勸張貴田：“試驗(yàn)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(dòng)機(jī)不僅采用的推進(jìn)劑、循環(huán)方式與過去常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，而且在推力噸位、性能、可靠性方面比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)有大幅度提高，這就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)及各部件在比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)更惡劣的條件下工作。這不僅加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難度，而且對(duì)加工、試驗(yàn)設(shè)備以及材料、工藝等提出了更高要求。
對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說，啟動(dòng)和關(guān)機(jī)是最復(fù)雜、最難設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)過程，尤其是啟動(dòng)過程，在零點(diǎn)幾秒內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)件要從不轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到三四千攝氏度的高溫，啟動(dòng)過程的每個(gè)指令都必須精確到百分之幾秒，甚至千分之幾秒。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不好，都可能導(dǎo)致故障甚至爆炸。
幾次整機(jī)試車失敗后，外界出現(xiàn)了質(zhì)疑聲，這使設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jī)理，最終選定了最理想的啟動(dòng)方案和啟動(dòng)程序。
“六院人的性格如同他們所研制的發(fā)動(dòng)機(jī)，意志堅(jiān)如鋼，心中一團(tuán)火，傾力鑄神箭，勇為先行官，樸實(shí)又沉穩(wěn)，甘當(dāng)鋪路石�！绷狐h委書記黃亮表示，在新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)連闖渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)、半系統(tǒng)試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)三大難關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)整機(jī)600秒長程試驗(yàn)。
由于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓補(bǔ)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(dòng)引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)破壞，不能進(jìn)行長時(shí)間與高工況的試車�！皽p振”便成為整機(jī)研制過程中又一個(gè)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(dòng)、壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。弄清楚了高速轉(zhuǎn)子的動(dòng)特性、振型和引起振動(dòng)的主要因素，并加班加點(diǎn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。
高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在該研究院還是首次進(jìn)行，無任何經(jīng)驗(yàn)借鑒，技術(shù)人員邊設(shè)計(jì)邊生產(chǎn)，將近200公斤重的實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)到1月最冷的哈爾濱，并自己帶上百公斤重的實(shí)驗(yàn)用所有裝配、實(shí)驗(yàn)工裝設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)期間，科研人員不顧零下20攝氏度的嚴(yán)寒，每天從清早開始，一直工作到晚上10點(diǎn)，在兩個(gè)星期內(nèi)進(jìn)行了23種狀態(tài)的渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，找到了影響渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)特性的主要因素。隨后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了對(duì)渦輪泵進(jìn)行改進(jìn)的措施，并在后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)試車中逐步實(shí)施。改進(jìn)后的渦輪泵振動(dòng)減小，一次裝配能連續(xù)進(jìn)行5次試車，一次試車時(shí)間能達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)額定工作時(shí)間的3倍，終于滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。
推力室是整機(jī)中最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一個(gè)組合件，也是整機(jī)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(jì)、試驗(yàn)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(duì)渦輪泵聯(lián)試中暴露出的問題，進(jìn)行了新一回合的渦輪泵、閥門等組合件設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)研究工作。對(duì)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(kuò)段脹型等關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。在研制人員的不懈努力下，經(jīng)過多個(gè)方案多個(gè)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(dòng)機(jī)試車臺(tái)，從主體奠基到正式試驗(yàn)投產(chǎn)，至少要用3年時(shí)間，而六院人僅用了一年半。經(jīng)過考臺(tái)試車和正式試車的驗(yàn)證，這座亞洲第一試車臺(tái)的總體設(shè)計(jì)、技術(shù)、設(shè)備等指標(biāo)均達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平。
2006年7月3日下午，秦嶺深處，漫山碧透，試車臺(tái)畔，溪水潺潺。隨著震耳欲聾的巨響，試車開始。只見導(dǎo)流槽流水嘩嘩，富氧燃?xì)鈴浡焦取?00秒的時(shí)間，此刻顯得格外漫長。最終，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次長程試車獲得成功。
讓中國航天走得更遠(yuǎn)
“自2000年國家正式立項(xiàng)進(jìn)入工程研制的12年間，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已先后進(jìn)行了百余次試車。”著名火箭發(fā)動(dòng)機(jī)專家、六院院長譚永華說，“這當(dāng)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(jiān)實(shí)，攻堅(jiān)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(dòng)機(jī)研制成功喜悅的同時(shí)，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(duì)高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一知半解，到突破80余項(xiàng)關(guān)鍵和核心技術(shù)，先后研制出3種基本型發(fā)動(dòng)機(jī)，以及5種適應(yīng)不同火箭總體的飛行狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，所有飛行狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)均已完成考核任務(wù)，開始交付火箭總體進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。屆時(shí)，中國人的太空之路將會(huì)走得更遠(yuǎn)。
與此同時(shí)，新一代大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，直接帶動(dòng)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(dòng)機(jī)研制中，為了解決高低溫、高壓、強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)關(guān)鍵工藝，其中多項(xiàng)技術(shù)達(dá)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(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
“發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)項(xiàng)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(jì)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?qǐng)?bào)》（-7-30一版）
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