長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)試車
成都商報(bào)記者 藍(lán)婧 發(fā)自西安
500個(gè)大氣壓
可把黃浦江水打到青藏高原
液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵，產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)可達(dá)到500個(gè)大氣壓，相當(dāng)于能夠把上海黃浦江水，打到5000米海拔的青藏高原。
-183℃
價(jià)格低且環(huán)保 節(jié)約上千萬(wàn)元
液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑是-183℃的液態(tài)氧氣和常溫煤油，二者燃燒后主要產(chǎn)生水和二氧化碳，清潔環(huán)保，而且價(jià)格低廉，每次發(fā)射推進(jìn)劑費(fèi)用比現(xiàn)役火箭節(jié)約上千萬(wàn)元。
1.5倍
補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù) 高效利用燃料
液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用的補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)，是一種閉式循環(huán)，可以使全部推進(jìn)劑的能量得到充分釋放，至少提升10%的能量利用率，使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載能力提高到常規(guī)的1.5倍。
6月25日，中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)在海南文昌發(fā)射場(chǎng)首飛成功，拉開(kāi)我國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)序幕，這是目前我國(guó)發(fā)射的推力最大的運(yùn)載火箭。預(yù)計(jì)到2021年左右，長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)趨于穩(wěn)定時(shí)，將承擔(dān)我國(guó)80%左右的航天發(fā)射任務(wù)，并將用于發(fā)射載人飛船。
長(zhǎng)征七號(hào)有一顆強(qiáng)勁的心臟——我國(guó)目前最先進(jìn)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。近日，成都商報(bào)記者專程趕赴西安，走進(jìn)研制該發(fā)動(dòng)機(jī)的中國(guó)航天科技集團(tuán)第六研究院，為您揭秘這顆強(qiáng)勁的心臟。
調(diào)節(jié)推力 降低體能要求
液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)專家、航天科技集團(tuán)六院副院長(zhǎng)欒希亭介紹，長(zhǎng)征七號(hào)使用了6臺(tái)120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。具備近地軌道13.5噸的運(yùn)載能力，是現(xiàn)役火箭的1.5倍。與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具備四大特點(diǎn)：
一是技術(shù)先進(jìn)。采用了世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
二是綠色環(huán)保。氧和煤油燃燒后主要產(chǎn)生水和二氧化碳，清潔環(huán)保，價(jià)格比較低廉。常規(guī)推進(jìn)劑有毒，且具有腐蝕性。每次發(fā)射，推進(jìn)劑費(fèi)用比現(xiàn)役火箭節(jié)約上千萬(wàn)元。
三是重復(fù)試車。因?yàn)橥七M(jìn)劑的腐蝕性等原因，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)只要一試車就報(bào)廢。液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)在地面可重復(fù)試車，重復(fù)點(diǎn)火。大大提高了火箭飛行的可靠性及性能。
四是精準(zhǔn)可調(diào)。調(diào)節(jié)精度更高，如同自動(dòng)擋的汽車，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。
據(jù)了解，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)推力調(diào)節(jié)，可以有效降低火箭飛行中的加速度，提高航天員的舒適度，降低對(duì)航天員的體能要求。未來(lái)，普通百姓也許不用經(jīng)過(guò)復(fù)雜嚴(yán)苛的體能訓(xùn)練，也有望“舒舒服服”地遨游太空。
研制渦輪泵 驗(yàn)證試驗(yàn)上千次
研制液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)最大的難點(diǎn)在于閉式循環(huán)系統(tǒng)。航天六院11所液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研究室主任徐浩海解釋，由于是閉式循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的室壓特別高，比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)提高了100個(gè)大氣壓；高壓補(bǔ)燃主要是通過(guò)渦輪泵的旋轉(zhuǎn)增壓，渦輪泵的揚(yáng)程最高達(dá)500個(gè)大氣壓，“相當(dāng)于能把黃浦江的水打到青藏高原”。
渦輪泵需要的工作時(shí)長(zhǎng)是數(shù)百秒，但第一臺(tái)渦輪泵首次試車僅運(yùn)轉(zhuǎn)了不到20秒。經(jīng)過(guò)7次重大故障，驗(yàn)證試驗(yàn)上千次，直到第8年才達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)——渦輪泵持續(xù)工作數(shù)千秒，是實(shí)際工作時(shí)長(zhǎng)的10倍。
航天六院7103廠副總工程師張和平介紹，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、轉(zhuǎn)速高，所以必須有高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。以發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室為例，數(shù)千度的高溫燃?xì)猓仨毐ＷC不破壞推力室結(jié)構(gòu)。所以他們使用了高溫合金、高強(qiáng)度不銹鋼、納米涂層等近50種新材料。
單機(jī)試車 相當(dāng)于2.8級(jí)地震
液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)區(qū)位于秦嶺山區(qū)，擁有亞洲最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)。航天六院165所液氧煤油試驗(yàn)區(qū)試車指揮員張志濤介紹，試驗(yàn)區(qū)相當(dāng)于一個(gè)小型火箭發(fā)射場(chǎng)。“發(fā)動(dòng)機(jī)所有在火箭上的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程都能在試車臺(tái)上重現(xiàn)，唯一的不同是火箭能夠升空，而試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)是被定架約束在試車臺(tái)上。”
“一個(gè)單機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在山坳里試車，產(chǎn)生的振動(dòng)相當(dāng)于2.8級(jí)地震。”張志濤說(shuō)，“發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的轟鳴聲，相當(dāng)于十萬(wàn)人同時(shí)在吼。”試車臺(tái)最多能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)120噸發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)試驗(yàn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠同時(shí)平穩(wěn)點(diǎn)火啟動(dòng)。“任何兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都不可能一模一樣，如果推力相差稍微大一點(diǎn)，火箭升空時(shí)直接就會(huì)歪掉，那么設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮如何平衡推力。”試車臺(tái)還可以試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在極限環(huán)境下能夠承受的苛刻條件，判斷其是否還能夠穩(wěn)定工作。
首次爆炸 燒穿十幾毫米厚鋼板
“那幾年連續(xù)發(fā)生了好幾次爆炸。”徐浩海還記得，第一次發(fā)動(dòng)機(jī)試車，從啟動(dòng)到爆炸不到3秒鐘。“按下開(kāi)關(guān)的瞬間，眼前已是一通火光，十幾毫米厚的鋼板立馬就被燒穿。”因?yàn)榧庸だщy，花了整整一年，第一臺(tái)產(chǎn)品就像獨(dú)生子，做得跟工藝品一樣。爆炸后大家心情非常沉重。
2001年，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了4次整機(jī)試車，4次都失敗。“一秒鐘就燒掉數(shù)百公斤推進(jìn)劑，一次試車成本上千萬(wàn)元。”欒希亭回憶，每當(dāng)試車點(diǎn)火倒計(jì)時(shí)，手心里都是一把汗，甚至有的人在試車頭一晚睡不著覺(jué)。
“發(fā)動(dòng)機(jī)一出問(wèn)題，爆炸了就啥都沒(méi)了。”徐浩海和同事們只能從爆炸碎片中分析故障。有個(gè)閥門問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，他們連續(xù)做了100多次，白天做實(shí)驗(yàn)，晚上就分析數(shù)據(jù)、裝配產(chǎn)品，七天七夜；最長(zhǎng)的一次，約300人在廠里住了整整3個(gè)月。
