□ 譚釧 張新

液體“芯”動力托起新夢想

□ 譚釧 張新

2016年11月3日，舉國矚目的我國新一代大推力運載火箭長征五號，在航天科技集團六院研制的系列新動力的推舉下，實現(xiàn)完美首飛，標志著中國由航天大國邁向航天強國走出了更加堅實的步伐。而系列新動力當中，除液氧煤油發(fā)動機外，兩型氫氧發(fā)動機的太空首秀，同樣吸引了人們關注的目光。

長征五號兩型氫氧發(fā)動機以液氫和液氧為燃料，比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動機性能提高約50%，是當前已知推進效率最高的液體運載火箭發(fā)動機，這是長征五號運載火箭采用氫氧發(fā)動機作為芯級動力的主要原因之一。

“芯”動力中國航天新高度

兩型氫氧發(fā)動機均由中國航天科技集團公司六院北京11所研制，從開展預研到成功首飛，經(jīng)歷近20年。鏖戰(zhàn)的日日夜夜，大家從自力更生中起步，在自主創(chuàng)新中發(fā)展，極大提升了火箭運載能力，也標志著我國氫氧火箭發(fā)動機技術邁進世界先進行列。

50噸級氫氧發(fā)動機：

大推力高性能、地面啟動直接入軌、零碳排放綠色環(huán)保

性能優(yōu)異、零碳排放的大推力氫氧火箭發(fā)動機是當今世界航天發(fā)動機發(fā)展的主流趨勢。因此，掌握大推力氫氧火箭發(fā)動機技術也成為航天強國發(fā)展的必然要求。

北京11所的研制人員歷經(jīng)20多年的潛心攻關，突破了高壓、大熱流推力室熱防護技術及高性能穩(wěn)定燃燒氫氧噴注器技術等43項動力難題，研制出了高性能、高品質、綠色環(huán)保的50噸級氫氧發(fā)動機，推動了我國低溫發(fā)動機研制能力的大幅躍升。

作為我國首個地面啟動的芯一級大推力氫氧發(fā)動機，50噸級氫氧發(fā)動機由兩臺獨立工作的單機通過機架并聯(lián)構成，地面推力達100噸。它采用燃氣發(fā)生器動力循環(huán)，地面一次啟動。

以現(xiàn)役上面級氫氧發(fā)動機為參照，50噸級氫氧發(fā)動機真空推力70噸，是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍，發(fā)動機外廓尺寸是其5倍。它將我國運載火箭的近地軌道運載能力從9噸提升至25噸。

50噸級氫氧火箭發(fā)動機的另一個顯著優(yōu)點是采用液氫、液氧作為推進劑，燃燒產物是潔凈度達99.99%的純凈水，具有綠色、環(huán)保、零碳排放的特點，因此長征五號運載火箭也被稱為“綠色火箭”。

長征五號運載能力的大幅提升也得益于發(fā)動機采用氫氧推進劑的高能效。50噸級氫氧發(fā)動機采用零下253℃的液氫和零下183℃的液氧作為推進劑。其中，液氫是火箭化學推進劑中能量最高的燃料，與液氧燃燒所獲得的高空比沖比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動機提高50%，成為當前已知推進效率最高的化學推進劑火箭發(fā)動機。

同時，在超低溫、高溫、高壓等苛刻工況下，研制人員突破了大推力氫氧發(fā)動機箱壓預冷起動技術，突破了泵汽蝕、軸承高溫起動等多項試驗技術，實現(xiàn)了發(fā)動機各部件精準可靠運行，這些關鍵技術的突破使該型發(fā)動機涉及的特種材料工藝技術從100多型擴展到500多型。以高溫合金為代表的一批特種合金材料在我國火箭發(fā)動機中都是首次采用。這些技術必將在我國工業(yè)現(xiàn)代化進程中，發(fā)揮重大牽引作用。

膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機：

性能高、可靠性高，被業(yè)界喻為“最優(yōu)動力循環(huán)”

作為芯二級主動力發(fā)動機，膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機工作時間近800秒，可以通過多次啟動，助推火箭進入地球同步轉移軌道，是國內工作時間最長的火箭主動力發(fā)動機。

氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動機

大推力氫氧發(fā)動機試車前的準備工作

此次參與首飛的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機區(qū)別于傳統(tǒng)燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機和補燃發(fā)動機，不存在燃氣發(fā)生器以及預燃系統(tǒng)等，避免渦輪燒蝕，發(fā)動機固有可靠性高，并容易實現(xiàn)推力和混合比的調節(jié)，使用靈活。在工作過程中，其全部推進劑都能無損失地燃燒產生推力，充分發(fā)揮液氫和液氧燃燒獲得的高比沖，也因此被業(yè)內稱為“最優(yōu)動力循環(huán)”。

發(fā)動機在研制過程中，突破了超高轉速氫渦輪泵技術、主動引射高空模擬試車技術等為代表的一批具有自主知識產權的先進成果。發(fā)動機氫渦輪泵的額定轉速高達每分鐘65000轉，是我國目前轉速最高的渦輪泵。在超高轉速氫渦輪泵的研制過程中先后攻克了超高速小通徑多級氫泵技術、高效率反力式渦輪技術、超高速氫渦輪泵轉子動力學設計、小通徑鈦合金構件精密鑄造和粉末冶金成型技術，以及超高速高DN值超低溫軸承技術等。

據(jù)查證，先進運載火箭上面級發(fā)動機采用氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動機代表了世界各國新一代運載火箭的技術發(fā)展方向。世界航天大國一直沒有停止對膨脹循環(huán)發(fā)動機技術研究的步伐，其中美國在幾十年的航天活動中，膨脹循環(huán)發(fā)動機一直在運載火箭上面級動力中占據(jù)主導地位，歐、俄、日等航天大國也紛紛研制各自的上面級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機。我國膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機的首飛成功，使我國成為繼美國之后第二個將先進的閉式膨脹循環(huán)發(fā)動機投入使用的國家。

“芯”動力研制攻關新征程

上世紀80年代末，北京11所率先提出研制大推力氫氧火箭發(fā)動機的設想，并開展了預研論證工作。2001年12月，“50噸級液氫液氧發(fā)動機專項工程”批準立項，該型發(fā)動機作為長征五號芯一級大推力氫氧發(fā)動機正式開展研制。2003年，膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機開展預研論證，2006年10月作為長征五號芯二級動力裝置正式開展研制。

吃“螃蟹”艱苦卓絕

科研的道路并非一帆風順，隨著研制工作的不斷深入，各種問題和薄弱環(huán)節(jié)開始暴露。創(chuàng)造歷史的都是先行者，要做第一個吃到“螃蟹”的人總要經(jīng)歷艱苦卓絕的時期。

2007年1月31日，第三臺50噸大推力氫氧發(fā)動機完成了第一次長程熱試驗。試驗后檢查時發(fā)現(xiàn)，推力室出現(xiàn)了結構破壞，故障現(xiàn)象前所未見。之后，連續(xù)3臺發(fā)動機、3次熱試驗，推力室仍舊出現(xiàn)了結構破壞，并伴隨著越來越嚴重的燒蝕。

面對前所未有的挫折，設計人員通過查閱國內外相關資料、請教國內專家和同行，大膽假設、細心求證，從浩如煙海的數(shù)據(jù)中“抓住”一絲絲保持架斷裂這兩只“攔路虎”。故障沒有先例可循，沒有資料可查，來自總體單位以及上級的各方不同聲音，無形中給研制人員增加了巨大的壓力。尤其是氫渦輪泵出現(xiàn)了多次軸承破壞問題，有的甚至挺不過一次試驗。

探索的過程是艱難的，研制團隊孜孜不倦、潛心攻關，經(jīng)過20多次的模態(tài)試驗，所有問題得以解決。發(fā)動機研制過程中最大的坎兒終于邁過去了，后續(xù)所有試車全部成功，至今保持了連續(xù)試車30000秒的成功紀錄。

試車告捷奠定首飛基礎

長征五號運載火箭首飛之前，動品試驗驗證、質量復查及風險分析等大量的保成功工作，于2015年按時完成首飛產品交付。

“芯”動力航天人的新夢想

“做到極致”是六院領導在兩型氫氧發(fā)動機參加長五首飛出征動員會上送給研制隊伍的四個字，也是氫氧發(fā)動機研制團隊的一份樸素情懷。

火箭發(fā)動機結構復雜，零部件千百萬個，可謂牽一發(fā)而動全身。在整個研制過程中只有嚴格遵循系統(tǒng)工程和項目工程的規(guī)律，將工作做到完的異常。

發(fā)射前研制隊伍與長征五號運載火箭合影

發(fā)射成功后的喜悅

功夫不負有心人，研制團隊歷時一年半，終于找到了燃燒中的異常脈動頻率，確定了高頻不穩(wěn)定燃燒的深層次故障原因。這是一個國際性難題。

確定原因后，研制團隊一鼓作氣，對推力室采取了多項綜合改進措施，僅僅用5個月就完成了方案論證、設計出圖及新產品的研制、生產和試驗。2008年11月12日，改進優(yōu)化設計的推力室熱試驗一舉取得圓滿成功，發(fā)動機的研制從此大步向前。

無獨有偶，在芯二級膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機的研制過程中，研制隊伍遇到了推力室內壁燒蝕、氫渦輪泵軸承力系統(tǒng)試車是火箭出廠前的關鍵步驟。芯一級動力系統(tǒng)試車從產品方案到產品準備歷時兩年半，與其他類型火箭發(fā)動機試驗相比，試驗隊員們要經(jīng)受高溫、高壓、易爆、強震等更多危險的考驗。

2015年2月9日，兩臺大推力氫氧發(fā)動機并聯(lián)組成的芯一級動力系統(tǒng)，按照飛行狀態(tài)被系固在火箭動力系統(tǒng)試車臺上進行460秒的發(fā)動機點火試驗，其中還包括30秒鐘的發(fā)動機搖擺試驗，試車取得圓滿成功。

隨后，芯一級以及芯二級動力系統(tǒng)全系統(tǒng)動力試車均取得圓滿成功。研制隊伍深入開展技術狀態(tài)梳理、產美和極致，才能確保首飛成功。

臨近首飛任務時，研制隊伍一直處于高強度的備戰(zhàn)狀態(tài)。僅圍繞全系統(tǒng)試車，他們就開展了67項600余次試驗。每天長達15個小時的工作強度，讓隊員們停不下來。

沒有輕松獲得的成功，沒有唾手可得的勝利。在首飛任務背后，兩型氫氧發(fā)動機研制團隊潛心攻關不言苦與累，拼盡全力衣帶漸寬終不悔。

站在中國航天的新起點上，北京11所將推動低成本可重復使用液氧甲烷發(fā)動機、重型運載火箭發(fā)動機的研制攻關，在建設航天強國的路上，不忘初心，追逐新夢想?！?/p>