中國液體火箭發(fā)動機，再現(xiàn)“高光時刻”

每經記者｜張文瑜    西安    每經編輯｜賀娟娟

4月25日，“神箭”長征二號F運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心托舉神舟十八號載人飛船點火升空，將載有3名航天員的飛船精準送入預定軌道，我國2024年度首次載人發(fā)射任務取得圓滿成功。

《每日經濟新聞》記者了解到，中國航天科技集團六院（以下簡稱：航天科技六院）在此次發(fā)射任務中，為長征二號F遙十八運載火箭與神舟十八號載人飛船共研制交付了58臺主發(fā)動機和姿軌控發(fā)動機，以及熱控分系統(tǒng)及生命保障系統(tǒng)泵閥等關鍵設備。

從最早的“東方紅一號”上天，到今天“長征”火箭、“神舟”飛船，半個世紀以來，航天科技六院持續(xù)突破多項關鍵核心技術，為中國航天事業(yè)的發(fā)展提供著可靠支撐，液體火箭發(fā)動機，也成為中國航天人探索太空的強大動力。

為新型火箭首飛奠定基礎

每經記者從航天科技六院獲悉，4月28日，其自主研制的130噸泵后擺液氧煤油發(fā)動機完成四機并聯(lián)點火試驗，發(fā)動機總推力超500噸，這是我國液體動力發(fā)展史上推力最大、系統(tǒng)最為復雜的一次發(fā)動機點火試驗，是首次大推力液氧煤油發(fā)動機四機并聯(lián)點火試驗，對四機并聯(lián)方案進行了“全面體檢”，為今年新型火箭首飛奠定了堅實的動力基礎。

泵后擺發(fā)動機，是一種將搖擺裝置后置的發(fā)動機，能夠有效減小發(fā)動機工作占用空間、減輕發(fā)動機結構重量、降低火箭伺服搖擺力矩。六院研制團隊突破了高溫高壓大流量富氧燃氣搖擺裝置等關鍵技術，并進一步優(yōu)化了發(fā)動機系統(tǒng)方案，解決了大功率旋轉機械振動控制等難題。該發(fā)動機與現(xiàn)役的120噸級液氧煤油發(fā)動機相比，推力更大、性能更高、結構更緊湊，在同等火箭直徑內可布局更多的發(fā)動機，有效提高火箭運載能力。

四機并聯(lián)，是把四臺技術成熟的發(fā)動機系統(tǒng)“組合”在一起工作，而不是簡單地“捆綁”在一起，這樣既可以為火箭提供更大的推力，又可以一定程度減少系統(tǒng)的復雜程度。多臺發(fā)動機協(xié)同工作給研制工作提出了許多新要求，帶來了許多新挑戰(zhàn)。

每經記者了解到，六院研制團隊通過深入的機理分析和大量的數(shù)字仿真，攻破了起動同步性、復雜力熱耦合環(huán)境，故障識別與處置、垂直裝配與整體交付、試驗及測控等多項技術難題，確保了發(fā)動機和四機并聯(lián)方案的穩(wěn)妥可靠。

“四機并聯(lián)試車成功，驗證了泵后擺發(fā)動機多機工作的協(xié)調性和最大力熱環(huán)境下的工作可靠性，證明了發(fā)動機完全具備了飛行應用的條件。”航天科技六院主管副院長兼液氧煤油發(fā)動機總師李斌告訴每經記者。

據(jù)了解，此次試驗后，發(fā)動機經檢測處理，將交付飛行應用。

可重復使用火箭發(fā)動機刷新紀錄

無獨有偶，就在4月12日，由航天科技六院自主研制的130噸級可重復使用液氧煤油發(fā)動機在陜西完成兩次啟動地面點火試驗。

據(jù)每經記者了解，自由進出空間是航天運輸系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展的主要方向，發(fā)展可重復使用航天運載器則是實現(xiàn)自由進出空間的關鍵環(huán)節(jié)，亟待實現(xiàn)技術突破。而液體火箭發(fā)動機作為航天運載器的主要動力裝置，也是航天運載器最復雜的產品之一，其可重復使用成為實現(xiàn)航天運載器重復使用必須突破的關鍵技術之一。

也就是說，研制可重復使用火箭的前提是率先研制成功可重復使用的發(fā)動機。相比傳統(tǒng)一次性火箭，可重復使用火箭將增加四項關鍵技術：一是“落得準”，二是“接得穩(wěn)”，三是“用不壞”，四是“修得快”。

“這次點火就是“修得快”的一個驗證。”航天科技集團六院發(fā)動機產品總指揮高新輝向記者表示。“此次試飛的這款火箭是航天六院為中國可重復火箭量身定做的一款產品，這款發(fā)動機在現(xiàn)役的液氧油發(fā)動機基礎上通過反復的迭代改進，在提高推力比重的同時顯著地降低了發(fā)動機自身的結構重量和對火箭空間的占用，同時開發(fā)出來兩次啟動這個功能，正是因為有這樣的改進，使得這個可重復回收成為可能。”

具體來看，上述試驗該臺發(fā)動機累計完成15次重復試驗、30次點火起動，累計試驗時長突破3900秒，重復試驗次數(shù)突破我國液體火箭主發(fā)動機試驗次數(shù)紀錄，為后續(xù)我國可重復使用運載火箭首飛奠定了基礎。

“可重復使用的發(fā)動機，它一個關鍵的特點就是要安全、可靠，能夠滿足相關的要求，試這么多次還是想摸清在不同點火次數(shù)下發(fā)動機的狀態(tài)。”航天科技集團六院165所一室主任周獻齊向記者表示。

在高新輝看來，產品進行極限摸底的主要目的是提高發(fā)動機的可靠性，同時也是不斷挖掘它的潛能，為后續(xù)可重復火箭的經濟性改善奠定基礎。“極限摸底沒有盡頭，在對發(fā)動機產品進行充分檢查后，根據(jù)檢查情況繼續(xù)進行極限摸底。”

為了能夠實現(xiàn)可重復使用火箭的功能，發(fā)動機的研制人員也分別從研發(fā)設計、生產制造、試驗試車等方面來作努力，推動我國可重復使用火箭發(fā)動機的研制進展。

航天科技集團六院西發(fā)公司高級工程師劉超鋒告訴記者，“我們以重復使用發(fā)動機可重復、長時間、可靠性這些技術指標要求為基礎，進行了一系列的工藝技術攻關和研究項目，主要的研究項目應該有近70項，大幅提升了我們發(fā)動機工藝技術水平的先進性、穩(wěn)定性，也保證了我們發(fā)動機產品質量的一致性和可靠性。”