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走近国家科学技术奖 液氧煤油发动机研制成功,使我国成为世界上第二个掌握液氧煤油发动机核心及关键技术的国家,显著提升了我国进出空间的能力,是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。
新一代航天动力诞生记
——记国家科技进步奖一等奖“120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机”项目
液氧煤油发动机研制工作现场。 (资料图片)

  本报记者 张梅 通讯员 张美书
  发动机的推力有多大,航天的舞台就有多大。
  伴随着我国新一代运载火箭长征五号、长征六号、长征七号的完美首飞,中国航天已经有了向深空进军的最重要物质基础。推举这三型火箭升空的正是120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机,它代表着我国运载火箭发动机的最高水平,是新一代航天动力。
  在该型号发动机研制过程中,中国航天科技集团公司第六研究院(航天六院)科研人员坚持10余年技术攻关,经历了无数次失败与挫折,突破了近80项设计、制造、试验技术,带动了我国50余种新材料的研制。 

  怀揣梦想执着探索
  研制无毒、无污染、高性能、绿色环保的新型大推力液体火箭发动机,并在重大航天工程上使用,是人类探索深空的需求,也是世界各航天大国梦寐以求的目标。
  发动机是火箭和航天器的“心脏”。运载火箭的绿色环保,归根到底是火箭动力的绿色环保。早在上世纪80年代中后期,我国著名火箭发动机专家、时任067基地(航天六院的前身)主任的张贵田,就率先提出中国要发展绿色环保液体火箭发动机。
  作为中国航天液体动力事业的开拓者和技术带头人之一,张贵田敏锐地捕捉到发展绿色环保的火箭动力的广阔前景,并提出了要研制液氧烃类发动机的设想。他向时任航空航天部副部长的刘纪原建议,按照中国航天特别是民用航天事业未来发展的需求,国家应加紧研发无毒、无污染、经济性好、性能高、使用维护方便的液体动力,尽快研究新型大推力液氧烃类发动机。“如果我们再不行动,就会被人家抛得更远了。”
  刘纪原鼓励张贵田说:“你们可以先行一步,开展甲烷、丙烷和煤油的传热试验和燃烧试验研究,以便进行推进剂的选择。一旦时机成熟,我们就可以开展新型大推力液氧烃类发动机的研制了。”
  用液氧烃作为推进剂,只是一个宏观的概念。烃类家族中产品种类很多,常用的有甲烷、丙烷、煤油等,到底选哪一种呢?航天六院组织研究人员一方面进行理论分析研究,另一方面对这些推进剂进行了多次试验,取得大量试验数据,使科研人员对未来大型运载火箭和天地往返运输系统采用何种推进剂以及各种推进剂的优缺点加深了认识。经过反复比较,液氧煤油作为推进剂越来越清晰地进入了他们的视线。
  就这样,怀着研制绿色环保液氧煤油发动机的梦想,科研人员开始了艰难而执着的探索。
  质疑声中坚定上路
  当时,液氧煤油发动机的研制犹如攀登世界航天动力领域的“珠穆朗玛峰”。液氧煤油发动机采用的推进剂和循环方式不仅与常规发动机完全不同,而且在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上,也比常规发动机高出数倍。这就要求科研人员在结构设计、材料、工艺、试验等诸多方面必须采用一系列先进技术,大大增加了发动机研制的难度。
  突破这些关键技术,不仅是对航天六院几十年来液体火箭发动机已有认知的创新实践,也是对未知领域的大胆探索。当航天六院将液氧煤油发动机作为未来发展方向时,曾遭到一片质疑,国外权威专家认为:“即使你们能把发动机设计出来,也无法制造出来。”
  在外界的质疑与担忧中,张贵田却更加坚定了一定要研制出液氧煤油发动机的信心与决心:“这一火箭新动力的研制利国利民,它是一项可以使我国快速跨入世界航天强国的大工程,我们没有理由不坚持。”
  在张贵田的力主之下,航天六院迎难而上,组建了一支由老中青科研人员组成的液氧煤油发动机研制团队,开始了艰苦卓绝的攻关。面对前所未有的新技术、国内鲜有的新材料、无从借鉴的新工艺,科研人员向一个个难关发起了挑战。通过对我国基础工业水平和我国已有火箭发动机的研制基础进行分析,他们确定了各阶段的研制目标、主要内容,对关键技术和核心技术集中力量逐一攻克。
  经过持续攻关,航天六院先后完成了液氧煤油发动机总体方案论证,开展了对富氧燃气发生器、主涡轮泵关键技术和主要阀门技术的研究探索,攻克了液氧煤油发动机燃气发生器—涡轮泵联动试验等一系列关键技术,并于2000年通过了国家的正式立项。从此,液氧煤油发动机的研究攻关工作步入正轨,研制团队的信心更足了。
  拨开迷雾见彩虹
  正式立项后,随着研制进程的深入,液氧煤油发动机所面临的一系列新的技术难题特别是整机试验的难关接踵而至。
  2001年,液氧煤油发动机先后进行了4次整机试车,全部失败。众所周知,起飞和降落是飞机最难控制的时候,也是发生事故最多的时候。液体火箭发动机也是一样,起动和关机是最复杂的动态过程。尤其是起动过程,在几秒甚至零点几秒内,发动机的转动件要从不转动加速到每秒几万转的高转速,燃烧组件要从环境温度达到三四千摄氏度。起动过程的每个指令,都必须精确到零点零几秒,甚至零点零零几秒,任何一个环节都可能导致发动机故障甚至爆炸。在液氧煤油发动机研制初期,起动问题就成为摆在设计人员面前的第一道难关。
  在这个难关面前,每个设计员都发挥了自己最大的聪明才智,千方百计地收集资料,提出新方案,不断修正起动仿真模型,优化起动程序。经过半年努力攻关,团队终于完成了50多页的设计报告,提出了发动机新的起动方案和起动程序。
  2002年5月,液氧煤油发动机整机试车成功。液氧煤油发动机跨过了起动难关,研制工作从此迈开了大步。
  2006年7月,液氧煤油发动机首次长程试车圆满成功。
  每一次试车成功,对于液氧煤油发动机研制工作来说,都是一次飞跃。试车时间越来越长,试车周期越来越短,离研制的目标越来越近——
  2007年,液氧煤油发动机首次突破万秒试车大关。
  2008年,液氧煤油发动机首次飞行状态试车圆满成功。
  2010年,液氧煤油发动机双机并联试车实现三战三捷。
  2012年,120吨级液氧煤油发动机专项研制正式通过验收。
  一支奉献的团队
  航天六院液氧煤油发动机研制团队中,既有耄耋之年仍然奋斗在科研一线的老科学家,又有一大批怀揣梦想、敬业奉献的中青年技术骨干。他们时刻不忘责任和使命,用智慧和力量创造奇迹,用心血和汗水浇灌了中国航天液体动力的一方沃土。2014年,航天六院液氧煤油发动机研制团队荣获中国航天科技集团首届“最美航天人”称号。2016年,团队荣获“全国国防科技工业十大创新人物(团队)”。
  老专家董锡鉴、葛李虎为了获得一个准确的设计参数,不顾年老体弱,坚持和年轻人一样加班奋战,经常晚上睡在办公室。
  年近花甲的老设计员丁丰年,下楼时不慎骨折。未等痊愈,他就开始上班,投入到紧张的工作中。
  进入到液氧煤油发动机产品大会战后,发动机零部组件生产制造所有车间倒排工期,零件交接均以小时计算。负责机架焊接任务的高级技师曹玉玺,两个多月没睡过一个囫囵觉。
  伴随着液氧煤油发动机研制进度的加快,在西安终南山建造一座大推力火箭发动机试车台成为迫在眉睫的课题。2004年,在大推力火箭发动机试车台建设工地上,24岁的年轻科研工作者潘泗峰突发心脏病,永远离开了他心爱的岗位。
  ……
  “这支团队意志坚如钢,心中一团火,倾力铸神箭,勇为先行官,朴实又沉稳,甘当铺路石。”航天六院党委书记黄亮说,“在液氧煤油发动机研制过程中,这支研制团队所表现出的品格,如同他们所研制的液氧煤油发动机一样令人惊叹。” 

  新闻链接
  液氧煤油发动机的7大创新技术
  液氧煤油发动机是我国新一代三型运载火箭的主动力,将为我国今后载人航天、探月工程、空间实验室乃至深空探索等重大专项任务提供更加强大可靠的动力。液氧煤油发动机研制过程中突破了一系列关键技术,其中,最为突出的是以下7项新技术:
  先进的补燃循环技术:液氧煤油发动机采用的补燃循环技术,是一种闭式循环,可以使全部推进剂的化学能得到充分释放,提高了发动机的性能。
  先进的自身起动技术:补燃发动机首先要解决自身起动这一难题。我国以往的发动机需要依靠专门的火药起动器等装置,而液氧煤油发动机实现了自身起动,二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。
  大范围推力调节技术:为了提高运载火箭的性能和适应性,液氧煤油发动机具有大范围推力调节能力,如同自动挡的汽车,可以实现无级变速。对载人航天来说,通过推力调节,可以有效降低火箭飞行中的加速度,提高航天员的舒适度,降低对航天员的体能要求,使普通人也有望遨游太空。
  先进的高效燃烧技术:在空间很小的腔体内完成推进剂的高效燃烧,是液体火箭发动机的技术诀窍。液氧煤油发动机燃烧腔体较小,而燃烧效率达到了98%以上。
  高压大功率涡轮泵技术:涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的“心脏”。液氧煤油发动机的涡轮泵,产生的最高压强可达到500个大气压,相当于能够把上海黄浦江的水,打到海拔5000米的青藏高原。
  多次试车技术:液氧煤油发动机具有多次工作的能力。发动机生产出来后,通过“磨合”试验重新校准、检查,合格后再交付使用,这使得发动机的精确度和可靠性得到了进一步的保证。同时,科研人员可以在此技术基础上研制出能够重复使用的发动机,使运载火箭实现天地往返、重复飞行。
  先进的试验技术:为了研制液氧煤油发动机,航天六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,为我国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。

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