推举长征五号的“绿巨人” 八台液氧煤油发动机

      11月3日,我国目前运载能力最大的火箭长征五号一飞冲天。托举它的8台120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机,承载了火箭起飞质量的90%,居功至伟。

      这型绿色环保又力大无穷的发动机,如同我国新一代宇航动力中的“绿巨人”。在它横空出世的背后,既有中国航天科技集团六院科研人员20多年来的风雨兼程、不弃不离,更衍生出火箭发动机研究、设计、生产、制造和试验手段的巨大变迁,让我国航天动力设计研制迈入全新时代。

      设计:从手绘图纸到三维仿真

      1992年,六院开始了对液氧煤油发动机的初步探索。那时电脑和互联网还没有普及,遇到技术难题,设计人员只能去图书馆和高校查阅和抄写资料。设计人员回忆,由于液氧煤油发动机的研制难度大、相关资料稀缺,从北京带回的技术资料,比土特产更让人牵肠挂肚。

      当时,每个研究室只有一台电脑,大家只能使用丁字尺、三角板等一步一步在图纸上勾勒。用上简易的计算机绘图后,科研人员乐坏了,第一幅涡轮泵设计思路经计算机拟合CAD成图后,大家怎么也看不够,干脆把图挂在了办公室墙壁上,几乎每个人都细细抚摸过。

      2010年,该院建立了数字化设计平台,发动机设计从小编程和一维成图,演变为二维设计、三维成形和三维仿真。借助三维成形技术,科研人员从电脑上就能看到零部件之间是否存在空间和位置冲突,不用步入实物产品阶段,就能及时更新设计方案;通过三维仿真,可真实模拟发动机运行状态,实现性能和关键参数的摸索,大大减少了试验次数和生产成本,缩短了交付周期。

      理念:呼唤产品制造新技术

      好的理念需要通过生产制造出发动机实物产品来实现。六院7103厂作为我国唯一的火箭发动机生产制造厂,挑起了打造“绿巨人”的重担。

      推力室是液体火箭发动机的重要组件,其内壁是其结构最复杂、加工难度最大的零件,也是发动机上最大的“细活”。在直径近2米、厚度仅数毫米的大型薄壁件上,分布着数百条筋宽和槽底剩余壁厚都仅有1毫米的槽。槽的深度、宽度与内部流过的燃料换热息息相关,筋宽决定着推力室的承压能力。直至上世纪80年代末,铣槽技术及设备在全国还是一片空白。

      科研人员从零起步,开展了长期艰苦摸索,不断引进新的生产设备,创新加工制造手段,逐步迈向了智能制造。近年来,7103厂引进3D打印技术,开展了钛合金、高温合金、高强不锈钢等难加工材料的制粉、激光烧结、产品表面后处理等核心工艺技术研究,自主掌握整套SLM(激光选区熔化)成型工艺,大大加快了发动机研制速度。

      技术:从单机、双机到四机并联的跨越

      点火试验是火箭发动机研制过程中必不可少的关键环节。

      液氧煤油闭式循环高压补燃发动机技术,代表了当今世界航天发动机的发展方向。发动机系统结构设计、涡轮泵动密封技术、高强度材料、启动技术等关键技术众多,研制难度很大。

      从1999年7月到2002年底,六院先后组织了10多次试车,其中包括半系统试车和整机试车,多次遭遇失败。尤其是2001年连续4次发动机试车,两次起动爆炸,两次燃气系统烧毁,让研制团队备受打击。2003年初,研制工作走出了阴霾,同年6月,液氧煤油发动机成功完成了整机100秒试车。

      从最初的单机整机试车,到120吨双机并联试车、再到18吨四机并联试车,六院在发动机试验技术上不断突破:其自主研发的故障诊断关机系统可对发动机4个关键参数实时监控,一旦发动机连续3次出现同类问题,该系统可在30毫秒内实现紧急关机;低温液氧流量测量技术可消除低温介质对液氧管路系统的影响,实现真实介质环境下涡轮流量的现场原位校准……

      随着试验任务加重,科研人员将原来的单次试车时间从10到12天,缩短为6到7天。并逐步实现了发动机试验状态和工装设计等关键参数的仿真模拟。

      记者了解到,仅针对120吨液氧煤油发动机的研制,六院突破了设计、生产、试验等领域近80余项关键技术,带动了我国50余种新材料研制,促进了相关基础技术的发展,建立了较为完备的高压补燃循环发动机研发体系,掌握了高压补燃循环发动机核心和关键技术,为今后液氧煤油发动机的系列化发展奠定了坚实的基础。