中国航天新动力——新一代大推力液氧煤油火箭发动机研制幕后的故事

2012-12-07 05:14李云霞张美书

太空探索 2012年12期

□ 李云霞张美书

新一代运载火箭发动机试车

2012年7月29日，中央电视台一场主题为《聚焦大火箭“心脏”》的电视实况直播，在国内外引起了巨大反响。随后，新华社、人民日报、解放军报、光明日报、科技日报、中国青年报、中央人民广播电台、新浪网、搜狐网等上百家媒体竞相予以报道。一时间，我国新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机研制成功的消息，伴随着电视、报纸、广播、网络迅速传遍了地球每个角落。

关心中国航天的人们从中得知了一个重磅新闻：有“中国航天动力之乡”之誉的中国航天科技集团第六研究院（以下简称六院），历经艰辛探索，终于研制成功了新一代大推力液氧煤油火箭发动机，标志着中国成为了世界上第二个掌握了液氧煤油发动机核心技术的国家，中国航天将拥有自己的崭新动力。伴随着新一代大推力火箭发动机的研制成功，我国新一代大推力运载火箭长征五号、长征六号和长征七号的首飞指日可待，中国载人登月、建立空间站和深空探测等一系列和平开发和利用空间的航天活动，将在不久的将来变成现实。

据我国著名火箭发动机专家、六院院长谭永华介绍，这种发动机与现役的长征系列发动机相比，具有以下诸多优点：一是推力大，运载能力强；二是没有污染，液氧和煤油都是环保燃料，而且易于存贮和运输；三是经济，比常规发动机推进剂便宜很多；四是可靠性高；五是可重复使用。

此刻，在这条新闻的发源地——位于西安南郊的六院，一万多名干部职工内心充满了自豪，充盈着幸福，研制历程中的酸甜苦辣和艰辛不易，此刻都化作成功的喜悦挂在每个人的脸庞。

未雨绸缪的大胆设想

1985年夏秋间，难得的艳阳天，中国宇航学会代表大会在北京召开，国务院第一招待所会议室里，航天专家汇聚一堂，耄耋新秀畅所欲言，共谋航天大计。会上，航天元老任新民、梁守槃院士等分别作了大会报告。轮到时任067基地（六院前身）主任的张贵田发言时，他的话犹如一石击水，激起层层涟漪：“长征系列运载火箭是我们的优势，但与世界先进国家相比，也只相当于人家70年代的水平。单就火箭动力系统看，我们的发动机推力小、循环方式落后、性能低，采用有毒有污染的推进剂,这与发达国家有很大差距。中国航天要想在未来世界占有一席之地，现役火箭发动机明显已经力不从心，要尽快研制新一代火箭发动机，而且要高起点、高标准，向国际一流水平看齐。”

发展航天，动力先行。每一种新型火箭投入使用时，发动机的研制往往要提前20年进行。对未来大型运载火箭和天地往返运输系统的研究，世界各国都在寻求一种高性能、廉价、无毒、无污染和有利于维护使用的航天发动机。这次发言，并不只是纸上谈兵，或空喊口号。一年前，六院发动机设计所就对液氧烃类发动机的问题进行了探索研究。张贵田代表全院职工发出的声音，是站在中国运载技术未来大发展的高度所进行的先行一步。

这一建议得到很多专家的支持。航天专家王永志在各种重要会议上大力呼吁。还有时任航天部副部长的刘纪原，深深理解六院人的一番苦心。不久，“863”的春风吹来。国家“863”委员会明确提出航天动力系统推进剂选用问题。随后，六院与“863”专家组签订了研究液氧/烃推进剂发动机作为未来大型运载火箭和天地往返运输系统动力装置的概念研究和可行性论证的合同。从此，六院探索未来大运载发动机的研究工作步入了有组织、有计划的正轨，同时也拉开了我国航天火箭发动机技术向世界前沿水平挺进的序幕。

用液氧/烃类作为推进剂只是一个宏观的概念，要知道在液氧/烃家族中门类很多，常用的有丙烷、甲烷、煤油等，到底选择哪一种呢？

六院科研人员除了进行理论分析研究外，对这些推进剂进行了多次试验，进行了许多实质性的工作，得到了大量试验数据，研究了液氧/烃发动机研制的关键技术：传热与冷却、结焦、积炭、点火、燃烧稳定性、性能、使用维护性和与材料相容性等。这些实质性的研究工作在当时航天大国中也只有极少数的国家能够做到。电传热试验采用了不锈钢试件和无氧锆铜试件，试验压力很高，这么高压下的电传热试验在世界上也是不多见的。从1986年9月到1988年10月，六院共进行了10次液氧/烃燃料的点火燃烧试验。经过反复分析研究和比校，液氧/煤油这一新型推进剂越来越清晰地进入到人们的视线。

顶着冰雪转运推进剂

充满艰辛的预先研究

然而，液氧煤油发动机的预先研究工作，每走一步都充满了艰辛。当六院经多方论证，将液氧煤油发动机作为未来方向时，国内外并不看好。当时不少专家都感到，我国要研制出这样的发动机很难，不管在设计上，还是在材料、工艺上都很难突破这些技术。国外的权威专家也认为，即使中国能把液氧/煤油高压补燃发动机设计出来，也无法制造出来。因为谁都知道，液氧煤油发动机可谓世界航天动力领域的珠穆朗玛峰。当时只有苏联掌握其制造技术，连美国试了再试都作罢了。

面对种种质疑之声，六院人没有退缩，而是知难而进，并且要搞顶尖的发动机——高压补燃循环液氧煤油发动机。这样就可以一步把我国火箭发动机研制落后世界水平几十年的差距赶过来。

高压补燃发动机，特别是液氧/煤油高压补燃发动机有大量难题等待技术人员攻克。设计参数上，发动机系统中最高压力、涡轮功率、燃气发生器的压力、流量、燃烧室压力是现役长征发动机的好几倍。涡轮的驱动工质是高温富氧燃气，推进剂又是非自燃推进剂，必须采用点火系统，发动机又要进行大范围的推力调节和混合比调节，加上该发动机在推力吨位、性能及可靠性方面比现有发动机有大幅度的提高，这样大大地增加了发动机的研制难度。必须在结构设计、材料、工艺、试验诸方面采用一系列的先进技术，并突破相应的关键技术。

1999年1月在液氧煤油半系统试车现场

六院研制人员通过对我国基础工业技术水平和我国已有火箭发动机的研制基础分析，采取逐个歼灭的办法，对设计关键技术、材料关键技术、工艺关键技术和试验关键技术等一一进行了细化分解。在国家有关部门的支持下，六院研制人员首先对火箭煤油、富氧燃气发生器技术、主涡轮泵技术、联试用五种主要阀门技术、总装密封技术等关键技术开展了预研攻关。在攻关过程中，尽可能通过零、部、组件的模拟、缩尺、水力、吹风、介质试验选择合理的方案和参数。关键技术先在零组件状态得以解决，为后面的部件和发动机顺利开展奠定了坚实的基础，也节省了研制经费和周期。

液氧煤油发动机不仅采用的推进剂、循环方式与过去常规发动机不同，而且在推力吨位、性能、可靠性方面比现有发动机有大幅度提高，这就意味着发动机及各部件在比现有发动机更恶劣的条件下工作。这不仅加大了发动机的设计难度，而且对加工设备、试验系统以及材料、工艺等提出了更高的要求。

液氧煤油发动机采用的新材料有50余种，这些新材料各自具有独特的性质和应用性，我国原来基本都没有研制和应用过。火箭煤油就是其一。通过几年的研制，他们采用各种工艺方法，克服大量困难，对试制出的产品进行电传热对比试验验证，通过对产品实物的反复试验验证，终于研制出了适合高压推力室冷却剂用的火箭煤油。

为配合新材料研制，六院与相关研制单位一起共同制订了50余项材料暂行技术条件或暂行技术协议，共同对液氧煤油发动机研制所需要的新材料进行联合攻关。在全国各协作单位的配合下，一个个新材料的关键技术被突破，一个个新材料按时供应，满足了研制需求。

发动机试车前的严格检查

深山中的轰鸣

由于材料新、技术新，工艺制造遇到前所未有的困难。从1995年开始，六院发动机生产厂针对液氧煤油发动机进行工艺预研和工艺攻关课题达130余项。

“在新一代运载火箭液氧煤油发动机整机研制初期，失败与挫折是家常便饭。”中国工程院院士、六院科技委主任张贵田如是说。

1999年，为进一步验证各组合件的可靠性和准确性，在把工况提高到100吨的状态下，六院于7月份组织了组合件联动试验。意外发生了。那次试验发生了燃烧现象，科研人员的心中像压了块巨石。

晚上专家们吃饭时，航天老专家钱维松劝张贵田院士：“试验有成有败，不要太难过。”话音刚落，张贵田竟像孩子似的忍不住流下了眼泪。

失败，对于张贵田的发动机研制生涯来说，实在是像吃饭睡觉一样太平常了，而他从不轻易落泪，只是这次引发了他积压了太久的精神重压，泪腺便帮他开闸泄洪。六院科研人员从院士的眼泪中读懂了新一代火箭发动机研制的艰辛，更坚定了他们攻坚克难的信心。

设计人员商讨技术方案

液氧煤油发动机长程试车成功

核心技术的突破之路

飞机起飞和降落是最难控制的时段，也是出事最多的时段。液体火箭发动机也一样，起动和关机是最复杂最难设计的动态过程，尤其是起动过程，在零点几秒内，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的高温，起动过程的每个指令都必须精确到百分之几秒，甚至千分之几秒。任何一个环节设计不好，都可能导致发动机故障甚至爆炸。

液氧煤油发动机刚开始进行的几次整机试车都失败了。外界对六院人的猜疑声越来越大：靠自己的力量到底能不能成功解决补燃问题，能不能实现点火起动？

设计人员的压力一次比一次大。而每到试车前夕，都是设计人员压力最大的时候。大家晚上怎么也睡不着觉。一睡着，就梦到试车失败的冲天火光和滚滚浓烟。试车时控制间里坐满了人，但是紧张压抑的气氛，使大家只能听到自己快速的心跳声。

为了找到问题的根源，六院科研人员没有休息日，大家放弃天伦之乐，一心扑在工作上，千方百计收集资料，绞尽脑汁寻找故障的症结，利用仿真技术模拟起动失败和爆炸的过程……经过近半年紧张的艰苦攻关，设计人员终于摸清了试车失败的根源和机理并提出几种新的方案。对各种方案和程序的组合进行仿真优化，最终选定了最理想的起动方案和起动程序。

严慎细实对发动机每一根管道进行筛选

首次大推力发动机试车成功的喜悦

“六院人的性格如同他们所研制的发动机，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。”六院党委书记黄亮表示，在新一代火箭发动机研制过程中，六院人所表现出的敢打敢拼、不屈不挠和先行一步、领先一路的品格，正是发动机人格化的体现。

凭着锲而不舍、百折不挠的精神，六院研制人员闯过了一道道技术难关，使发动机连闯涡轮泵联动试验、半系统试验、整机试验三大难关，成功实现整机600秒长程试验。

由于液氧煤油发动机为高压补燃循环系统，涡轮泵转速高、压力高、功率大，巨大的振动引起产品结构破坏，不能进行长时间与高工况的试车。“减震”便成为整机研制过程中又一个大问题。

六院科研人员开展了涡轮泵减振攻关，分析了参与试车的涡轮泵所有数据，特别是高速转子的轴向和径向位移、振动、压力脉动数据。弄清楚了高速转子的动特性、振型和引起振动的主要因素，并加班加点设计生产了高速转子动力学实验装置。

高速转子动力学实验在该研究院还是首次进行，无任何经验借鉴，技术人员边设计边生产，将近200千克重的实验装置运到一月份最冷的哈尔滨，并自己带上一百多千克重的实验用所有装配、实验工装设备。

发动机试车前的准备工作

由于要求要在很短的时间内对改进措施进行验证，在哈尔滨实验期间，科研人员不顾零下20℃的严寒，早上8点就到实验室装配实验，中午和晚上就在实验室吃盒饭，每天工作到晚上10点，在两个星期内进行了23种状态的涡轮泵转子动力学实验，找到了影响涡轮泵转子动特性的主要因素。随后根据实验结果确定了对涡轮泵进行改进的措施，并在后续的发动机试车中逐步实施。改进后的涡轮泵振动减小，一次装配能连续进行五次试车，一次试车时间能达到发动机额定工作时间的三倍，终于满足了发动机的要求。

推力室是整机中最大、也是结构最为复杂的一个组合件，它是整机研制的关键。由于推力室制造工艺难度较大，为解决这些技术难题，六院组成了工艺、设计、试验以及技术管理人员联合组成的推力室攻关小组。

攻关小组针对涡轮泵联试中暴露出的问题，进行了新一回合的涡轮泵、阀门等组合件设计工艺改进研究工作。对喷嘴加工、厚壁变截面管成形、内壁螺旋铣槽、头部钎焊、收扩段胀型等关键工艺技术进行攻关。在研制人员的不懈努力下，经过多种方案和多个回合的研制攻关，终于完成了推力室生产。

在国外航天专家眼里，建设一座数百吨推力规模的发动机试车台，从主体奠基到正式试验投产，至少要用三年时间，而六院人仅用了一年半。经过考台试车和正式试车的验证，这座亚洲第一试车台的总体设计、技术、设备等指标均达到了国内外先进水平。

新一代大推力试车台一角

火箭发动机试车指挥间

2006年7月3日下午，秦岭深处，漫山碧透，试车台畔，溪水潺潺。随着震耳欲聋的巨响，试车开始。只见导流槽流水哗哗，富氧燃气弥漫山谷。

100秒……200秒……400秒……600秒！“成功啦！”液氧煤油发动机首次长程试车成功啦！笑意写在脸上，喜悦挂在眉梢。掌声、欢呼声响成一片。

每一次试车成功，对于发动机研制工作来说，都是一次飞跃，试车工况越来越高，试车时间越来越长，试车周期越来越短，离研制的目标也越来越近。

2007年，发动机首次突破万秒试车大关！

2008年，首次飞行状态试车圆满成功！

2009年，液氧煤油发动机第100次试车圆满成功！

2010年，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国防科工局现场验收。

中国动力的崭新高度

“自2000年国家正式立项进入工程研制的12年间，液氧煤油发动机已先后进行了百余次试车。”谭永华院长说，“这当中，既有饱尝失败的痛苦，但更多的是失败之后，六院人自主创新的步履更加坚实，攻坚克难的步伐更加加快。”

六院人在收获新一代大推力火箭发动机研制成功喜悦的同时，更成就了中国航天的新高度。12年来，六院科研人员迎难而上，从对高压补燃循环发动机的一知半解，到突破80余项关键和核心技术，先后研制出三种基本型发动机，以及5种适应不同火箭总体的飞行状态发动机。目前，所有飞行状态发动机均已完成考核任务，开始交付火箭总体进行相关试验。届时，中国人的飞天之路将会变得更加顺畅，中国航天员将会越飞越高，在太空工作和生活的空间也会变得更加舒适和美好。

谭永华院长说，新一代大推力火箭发动机的研制，直接带动了相关产业的发展。发动机技术的一项项突破，不仅直接引领了航天事业的发展，还为国民经济和普通百姓日常生活水平的提高注入了新的科技力量。

屹立在青山翠谷中的试车台