120吨液氧煤油发动机试车(图)
9月20日,我国新型三级液体运载火箭“长征六号”在太原卫星发射中心发射成功,一箭搭载20颗小卫星,开创了我国一箭多星发射先河。该火箭一二级发动机首次采用航天科技集团六院研制的无毒无污染液氧煤油发动机,这标志着我国火箭动力从常规有毒跨入绿色无毒时代。
“长征六号”是我国研制的新一代无毒无污染的小型运载火箭,具备700千米高度太阳同步轨道、500千克的运载能力。它的发射成功标志着我国与美国、俄罗斯形成领跑一箭多星领域的三甲集团。
实力:液氧煤油发动机技术居“世界第二”
作为“长征六号”火箭使用的全新动力,液氧煤油发动机是我国继前苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家。该火箭发动机采用的新一代两型液氧煤油发动机,包含多项新技术和新工艺,使我国现役火箭发动机单台推力提升60%左右,由现有的70吨左右提升至120吨,近地轨道的运载能力从现在的9.2吨提高到25吨,极大提高了我国进入太空的能力。
航天六院院长谭永华说:“120吨级液氧煤油发动机的研制成功,将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定了坚实的基础。今后,我国新一代运载火箭家族中的长征五号、长征七号也将使用120吨液氧煤油发动机。”
航天六院11所液氧煤油发动机副主任设计师张小平说,目前,在120吨级和18吨级液氧煤油发动机基础上,接近500吨级的液氧煤油发动机已进入研制阶段。未来几年,液氧煤油发动机将全面替换现役四氧化二氮和偏二甲肼为推进剂的常规发动机。2025年前后,我国将形成功能、性能更加丰富完备的液氧煤油发动机系列型谱,进一步巩固我国在火箭液氧煤油发动机领域的领先地位。
攻关:三十载日日夜夜“炼”新品
“以前从事火箭发动机试验,环境是比较恶劣的,原因是试验所用的推进剂不环保,如今,在液氧煤油发动机试验区,可以说天天在氧吧工作。”航天六院165所二室主任郭立有感而发。研究无毒、无污染、高性能液体火箭发动机,是各航天大国梦寐以求的目标。然而,研制这一新型大推力液体火箭面临着众多新技术、新材料、新工艺的挑战。
早在1985年,中国工程院院士、原067基地(航天六院前身)主任张贵田就在中国宇航学会代表大会上,针对液体火箭发动机的现状,提出尽快研制新一代火箭发动机,向国际一流水平看齐的设想。
研究初期,挑战一个接一个。技术方面,新型发动机的最高压力、涡轮功率、推进剂流量等均比现行发动机高出数倍,这大大增加了结构设计、材料、工艺和实验等众多方面的难度,研制攻关一度无法继续进行。
航天六院7103厂工艺处处长、液氧煤油发动机制造工艺专家陈新红说,这种发动机结构特别复杂。仅一个重要部组件,就包含数百个喷油嘴、上千个焊接缝,加上考验工艺的表面处理,均需一次焊接、打磨。既要确保完全密封,还要能承受高冲击、强振动、高温和低温等特殊条件,难度之大可想而知。发动机钢铜焊接等不同熔点的材质焊接,很是考验工艺。“实验、不达标。找问题,再加工、再创新、再实验。”陈新红说,加工过程中,他们还使用了“3D”打印技术。
谈起那段艰难的攻关岁月,六院院长谭永华感慨万分:“每一项课题的攻关,都像是在攀登耸入云天的悬崖峭壁;每一个问题的解决,都像是在抢渡波涛汹涌的大江大河。但最刻骨铭心的,还是发动机整机试验中,由于启动问题造成连续四次试车失利后的巨大压力!”
2001年,液氧煤油发动机先后进行了四次整机试车,四次失败,甚至一次还因为起动不正常导致发动机发生了爆炸。
困难没有击垮有梦想的航天人,研制团队锲而不舍逐步克服了50余种新材料技术,并对130余项工艺预研和500余项工艺进行攻关。2005年1月5日,他们终于点火试车成功。
惠民:普通人有望“轻松”太空游
太空游是不少人的梦想,今后,普通人也可轻松实现太空游。张小平说,在火箭领域,当火箭发射推力和重量比大于一定数量时,一般人无法承受加速度的冲击。这种条件下,普通人要实现太空游,就得参加航天员的专项训练。如今,液氧煤油发动机突破了80余项关键技术,实现了自动启动,并能大范围推力调节能力,可实现无级变速。这大大降低了火箭飞行中的加速度,提高了乘坐的舒适度,大大降低对体能的要求,有望实现普通人的太空旅游梦想。
同时,由于火箭发射成本高,太空游费用一般人承受不起。液氧煤油发动机先进的补燃循环技术,使燃烧效率达到98%以上,加之其使用价格便宜的煤油燃烧剂,每秒推进剂的费用,由先前的1万余元元降低至1千余元,每次发射可节约上千万元,大大降低了火箭飞行费用。
“经济能力和体能状况不是问题了,普通人也就可以实现太空游了。”张小平说。本报记者薛生贵