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我國120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)將裝備新一代長征火箭
2012-07-25
3萬余秒熱試車70余項技術(shù)創(chuàng)新
“120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)的研制成功，是中國航天動力發(fā)展過程中的里程碑?！边@是國家國防科工局副局長胡亞楓對我國新一代運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)做出的評價。
5月底，該發(fā)動機(jī)項目研制通過國家國防科工局驗收。此項目由中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院（以下簡稱六院）承擔(dān)。自2000年9月立項，六院累計實施熱試車3萬余秒，突破了70余項關(guān)鍵技術(shù)，使我國繼俄羅斯之后成為第二個掌握液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機(jī)核心技術(shù)的國家。
六院院長譚永華介紹，該發(fā)動機(jī)將作為我國新一代運(yùn)載火箭的動力系統(tǒng)，裝備長征五號、六號、七號運(yùn)載火箭，為載人航天、月球探測等國家重大專項任務(wù)提供動力保障。
推動我國運(yùn)載火箭性能不斷提升
“120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)是為我國新一代運(yùn)載火箭系統(tǒng)研制的無毒、無污染、高性能、高可靠的基本動力裝置。”承擔(dān)該發(fā)動機(jī)研究設(shè)計任務(wù)的六院十一所所長李斌介紹說，該發(fā)動機(jī)為補(bǔ)燃循環(huán)泵壓式的單推力室液體火箭發(fā)動機(jī)，推進(jìn)劑為液氧和煤油，可由單向搖擺基本型衍生出雙向搖擺發(fā)動機(jī)和固定發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)共三種狀態(tài)單機(jī)，可通過三種狀態(tài)發(fā)動機(jī)組合使用的模式，裝備新一代運(yùn)載火箭。
長期以來，我國長征系列運(yùn)載火箭雖然采用了一些小型液氫/液氧發(fā)動機(jī)，主推進(jìn)器大量采用的是由四氧化二氮和偏二甲肼作為推進(jìn)劑。盡管此類發(fā)動機(jī)技術(shù)成熟度高，但受發(fā)動機(jī)推力難有更大發(fā)展制約、限制了運(yùn)載火箭性能的進(jìn)一步提升，同時以上兩種推進(jìn)劑組合也具有一定的毒性和腐蝕性。
相比之下，液氧煤油發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑組合綠色環(huán)保優(yōu)點(diǎn)突出，補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)方案具有燃燒等綜合效能高的優(yōu)勢，發(fā)動機(jī)本身還具備易于控制混合比、工況可調(diào)節(jié)、輔助功能全、安全度高等優(yōu)點(diǎn)。同時，由于預(yù)壓渦輪泵的使用，推進(jìn)劑儲箱的質(zhì)量也大為減輕。為滿足性能、功能要求，對渦輪泵等主要組件的設(shè)計指標(biāo)要求極高，設(shè)計和研制難度很大。
由于綜合效能高、方便操控、推進(jìn)劑價格低廉等特點(diǎn)，液氧煤油發(fā)動機(jī)一直被各國用于運(yùn)載火箭等各種推進(jìn)器，是進(jìn)行商用發(fā)射的良好動力裝置。世界各國都利用液氧煤油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)了大量運(yùn)載火箭用于各種發(fā)射任務(wù)。1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造衛(wèi)星時使用的R-7型運(yùn)載火箭，以及近年俄羅斯發(fā)射的聯(lián)盟號飛船所用的火箭，其發(fā)動機(jī)都是液氧煤油發(fā)動機(jī)。美國也很早運(yùn)用了液氧煤油發(fā)動機(jī)，曾運(yùn)載阿波羅系列登月飛船的“土星五號”巨型運(yùn)載火箭的第一級便是采用了5臺F-1型液氧煤油發(fā)動機(jī)。
與目前美國670噸推力的F-1型發(fā)動機(jī)、俄羅斯740噸推力的RD-170型發(fā)動機(jī)相比，我國120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)在推力方面尚有較大差距。然而我國液氧煤油發(fā)動機(jī)在整體技術(shù)上較為先進(jìn)，其綜合效能高于F-1型發(fā)動機(jī)、與RD-170型發(fā)動機(jī)相當(dāng)，且在其基礎(chǔ)上還能拓展研發(fā)出推力超過300噸甚至660噸級別的更大推力的液體火箭發(fā)動機(jī)。這將可以逐漸扭轉(zhuǎn)我國運(yùn)載火箭性能現(xiàn)狀，推動我國運(yùn)載火箭性能不斷提升。
實現(xiàn)我國液體推進(jìn)技術(shù)重大跨越
120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)項目經(jīng)過近12年研究，取得了多項成果，填補(bǔ)了我國高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)空白，實現(xiàn)了液體推進(jìn)技術(shù)的重大跨越。
李斌表示，該發(fā)動機(jī)是我國首個采用補(bǔ)燃循環(huán)、自身起動、變工況調(diào)節(jié)技術(shù)的液體火箭發(fā)動機(jī)，其研制道路困難重重。在上級單位正確決策和領(lǐng)導(dǎo)下，十一所和院內(nèi)兄弟單位組成的研制團(tuán)隊通過艱苦攻關(guān)，完成了方案論證、方案設(shè)計、試驗驗證、改進(jìn)完善、飛行狀態(tài)驗證的研制全流程，以熱試車作為考核手段確定了發(fā)動機(jī)設(shè)計狀態(tài)技術(shù)基線，并有效解決其各項關(guān)鍵技術(shù)。
針對長征五號、六號、七號運(yùn)載火箭的飛行使用要求，研制團(tuán)隊按照系列化、模塊化設(shè)計指導(dǎo)思想，采用基本型發(fā)動機(jī)進(jìn)行組合、開展了多種飛行狀態(tài)發(fā)動機(jī)研制。
在專項研制階段，通過大量仿真和模擬試驗技術(shù)研究，自主開發(fā)了一批工程仿真軟件，掌握了核心組件動力學(xué)模擬試驗方法及模擬準(zhǔn)則。同時對項目研制所涉及的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和試車考核所需的保障條件進(jìn)行大量投入，不斷建立健全整個研制體系。
此外，通過該項目的研究，還促使我國掌握了液氧煤油高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)的研制規(guī)律，掌握了一批高性能新材料的應(yīng)用技術(shù)，培養(yǎng)了一批設(shè)計、工藝、試驗和管理人員隊伍。該項目已獲得近20項國防科技成果及相關(guān)專利授權(quán)。（付毅飛）
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