摩登3注册网址_“胖五”发动机研制秘程:曾连续4次爆炸

日前,中国空间站“问天”实验舱成功发射。而护送它进入太空的,正是我国近地轨道运载能力最大的运载火箭——长征五号B遥三运载火箭。

由于体型大、推力大,长征五号系列运载火箭又被称为“大火箭”、“胖五”。据悉,这是我国为了满足进一步航天发展需要、弥补中外差距,而在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭,是中国新一代运载火箭中芯级直径为5米的火箭系列。

众所周知,运载火箭强大的动力来源就是发动机,发动机是火箭的“心脏”,是火箭技术含量最高、难度最大的部件之一。而“胖五”采用的是液氢液氧、液氧煤油作为燃料,这是当今世界航天发射的主流技术,也是一个国家成为“航天强国”的标志之一。

近年来,中国航天技术的不断提升,让全世界看到了中国航天技术的“崛起”。但很多人可能想不到,这些科研人员研究的背后,究竟承受了多大的压力。

在近期的央视新闻中,航天科技集团六院西发公司型号系列总工艺师张和平介绍说,长征五号用了八台120吨液氧煤油发动机,这其中包含30多种新材料,而典型的就是燃烧部分用的高温合金。

高温合金被称为“先进发动机基石”,由于火箭发动机点火后,最高温度可达3000℃,在这样的高温高压富氧环境下,普通材料瞬间就会被烧成一堆废渣。但在实施综合降温措施后,却发现只有高温合金依然能够保持稳定。于是,2000年国家正式立项,液氧煤油发动机进入工程研制,首先要解决的就是研发高温合金。

了解中国航天历史的应该都知道,在技术封锁的背景下,中国在航天领域的技术发展可谓是一片空白。别说造火箭了,就是在基础性的产业方面,都是受到了国外的限制。

比如在2022年5月的时候,美国国家航空航天局(NASA)局长比尔·尼尔森(Bill Nelson)就曾公开声称,中美火箭运载器的外形设计有着“惊人相似”,而两国火箭的外表之所以相似,是因为中国“剽窃”了美国技术,“是的,他们(中国)很擅长剽窃。”

而针对“胖五”发动机的研制,此前更有国外专家表示,即使中国人能把液氧煤油发动机设计出来,也无法制造出来。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师的葛李虎,被称为“拼命三郎”,跟火箭发动机打了一辈子交道,带领团队攻关,不断调整高温合金配方的化学成分,两年做了上百次试验,终于研制成功,而且没有从国外进口一克原料,性能水平也超越了国外同等类型合金。

但是,发动机研制出来后,在试车台上一点火就爆炸了,初期甚至接连发生了四次爆炸,而一次试车成本上千万元。

尤其是在2001年,液氧煤油发动机进行了四次整机试车,均未成功,其中还连续两次发生了爆炸,这在中国航天的历史上也是绝无仅有的。

研制团队重整旗鼓,从爆炸碎片中分析故障原因,仅一个阀门问题的试验就连续做了100多次。白天做试验,晚上就分析数据、装配产品。最长的一次,300人在厂里住了整整3个月。

2002年,液氧煤油发动机试车5秒钟。

2006年,液氧煤油发动机长程试车600秒。

2016年,液氧煤油发动机在长征五号首飞任务中获得成功,之后在我国首次火星探测任务、嫦娥五号、空间站天和核心舱的发射中都有着完美的表现。

据航天科技集团六院副院长马双民介绍,我们通过发动机的研制,完全掌握了高压液氧煤油发动机的全套技术,研制出了具有完全自主知识产权的大型火箭发动机,支撑了我国运载火箭(动力)的更新换代。

值得一提的是,在没有从国外进口一克原料的基础上,我国研制的高温合金性能水平仍超越了国外同等类型合金,现在这种合金已经分别应用于航空发动机、液氧煤油发动机、液氢液氧发动机等国家重大工程项目。通过液氧煤油发动机研制,还牵引了高强度不锈钢等50多项新材料的创新,填补了我国这些材料研究的空白。

从技术角度上看,“胖五”为两级半火箭,动力系统由助推器动力系统、芯一级动力系统、芯二级动力系统、辅助动力系统四个部分组成。其中,芯级和助推器动力系统主要包括发动机、贮箱增压系统、推进剂输送系统、发动机预冷系统、加泄排气系统和箭地连接等系统。

芯一级动力系统:2台YF-77液氢/液氧发动机,单台真空推力70吨。

芯二级动力系统:2台YF-75D液氢/液氧发动机,单台真空推力9吨。

助推器动力系统:4个助推器分别配置2台YF-100液氧/煤油发动机,单台地面推力120吨。

辅助动力系统:主要用于芯二级滑行段和星箭分离前的姿态控制、滑行段推进剂管理、星箭分离前末速修正,系统由发动机机组、氦气瓶和囊式贮箱等组成。

相对于我国现役长征系列运载火箭一、二级与助推级动力系统主要采用常温有毒的四氧化二氮/肼类燃料推进剂发动机,长征三号系列火箭三级动力系统采用低温的小推力、低室压液氢/液氧推进剂发动机,“胖五”的“心脏”系统可谓发生了“质”的变化,即采用的是绿色环保、高性能的液氢/液氧和液氧/煤油推进剂,使用的是新型YF-77、YF-100和YF-75D发动机。

YF-77发动机:2001年正式立项后,发动机关键技术攻关全面展开。但在2007年左右遭遇了国内外罕见的重大技术障碍,先后四次试车结果不理想,直接影响到整个研制进展。经多次改进效果仍不理想后,研制人员改用“一大四小”的改进方案,即使用隔板喷嘴,改进推力室结构,提高面板连接强度,终于在2009年12月,发动机转入试样研制阶段。历经十年艰苦攻关,至2012年8月17日,YF-77发动机关键技术全部突破,实现了我国氢氧发动机推力由8吨到70吨(真空)的跨越。

YF-100发动机:2000年正式立项后,刚开始进行的几次整机试车都失败了。但研制人员相继攻克了补燃循环自身启动等技术难关,先后实现了全系统额定工况不下台连续三次1200s和单次600s长程、变工况、摇摆试车成功等重大突破,发动机技术状态趋于稳定,并于2012年5月28日通过验收。YF-100填补了我国高压补燃循环发动机的技术空白,标志着我国成为继俄罗斯之后第二个完全掌握液氧/煤油高压补燃循环液体火箭发动机核心技术的国家。

YF-75D发动机:这是我国首个采用闭式膨胀循环的高性能氢氧发动机,我国第三代上面级液氢/液氧火箭发动机,具备高空多次启动能力。此前,其第一代及第二代分别为YF-73、YF-75。其中,YF-75用于长征三号甲系列运载火箭的第三级,采用燃气发生器循环。除了用于“胖五”之外,YF-75D也可用于长征七号(3级地球同步转移轨道版本)第三级动力系统。

总之,长征五号运载火箭全面突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,新技术比例达到100%,核心技术全部实现国产化,代表着我国科技创新与工业制造的最新成就。

目前,航天科技集团六院研发的500吨液氧煤油发动机已经突破了主要关键技术,将在今年完成发动机整机热试车,支撑未来载人登月、深空探测!