液体“芯”动力托起新梦想

□ 谭钏 张新

液体“芯”动力托起新梦想

□ 谭钏 张新

2016年11月3日，举国瞩目的我国新一代大推力运载火箭长征五号，在航天科技集团六院研制的系列新动力的推举下，实现完美首飞，标志着中国由航天大国迈向航天强国走出了更加坚实的步伐。而系列新动力当中，除液氧煤油发动机外，两型氢氧发动机的太空首秀，同样吸引了人们关注的目光。

长征五号两型氢氧发动机以液氢和液氧为燃料，比现有常规燃料发动机性能提高约50%，是当前已知推进效率最高的液体运载火箭发动机，这是长征五号运载火箭采用氢氧发动机作为芯级动力的主要原因之一。

“芯”动力中国航天新高度

两型氢氧发动机均由中国航天科技集团公司六院北京11所研制，从开展预研到成功首飞，经历近20年。鏖战的日日夜夜，大家从自力更生中起步，在自主创新中发展，极大提升了火箭运载能力，也标志着我国氢氧火箭发动机技术迈进世界先进行列。

50吨级氢氧发动机：

大推力高性能、地面启动直接入轨、零碳排放绿色环保

性能优异、零碳排放的大推力氢氧火箭发动机是当今世界航天发动机发展的主流趋势。因此，掌握大推力氢氧火箭发动机技术也成为航天强国发展的必然要求。

北京11所的研制人员历经20多年的潜心攻关，突破了高压、大热流推力室热防护技术及高性能稳定燃烧氢氧喷注器技术等43项动力难题，研制出了高性能、高品质、绿色环保的50吨级氢氧发动机，推动了我国低温发动机研制能力的大幅跃升。

作为我国首个地面启动的芯一级大推力氢氧发动机，50吨级氢氧发动机由两台独立工作的单机通过机架并联构成，地面推力达100吨。它采用燃气发生器动力循环，地面一次启动。

以现役上面级氢氧发动机为参照，50吨级氢氧发动机真空推力70吨，是其9倍，推力室室压是其2.7倍，氢涡轮泵功率是其15倍，氧涡轮泵功率是其20倍，发动机外廓尺寸是其5倍。它将我国运载火箭的近地轨道运载能力从9吨提升至25吨。

50吨级氢氧火箭发动机的另一个显著优点是采用液氢、液氧作为推进剂，燃烧产物是洁净度达99.99%的纯净水，具有绿色、环保、零碳排放的特点，因此长征五号运载火箭也被称为“绿色火箭”。

长征五号运载能力的大幅提升也得益于发动机采用氢氧推进剂的高能效。50吨级氢氧发动机采用零下253℃的液氢和零下183℃的液氧作为推进剂。其中，液氢是火箭化学推进剂中能量最高的燃料，与液氧燃烧所获得的高空比冲比现有常规燃料发动机提高50%，成为当前已知推进效率最高的化学推进剂火箭发动机。

同时，在超低温、高温、高压等苛刻工况下，研制人员突破了大推力氢氧发动机箱压预冷起动技术，突破了泵汽蚀、轴承高温起动等多项试验技术，实现了发动机各部件精准可靠运行，这些关键技术的突破使该型发动机涉及的特种材料工艺技术从100多型扩展到500多型。以高温合金为代表的一批特种合金材料在我国火箭发动机中都是首次采用。这些技术必将在我国工业现代化进程中，发挥重大牵引作用。

膨胀循环氢氧发动机：

性能高、可靠性高，被业界喻为“最优动力循环”

作为芯二级主动力发动机，膨胀循环氢氧发动机工作时间近800秒，可以通过多次启动，助推火箭进入地球同步转移轨道，是国内工作时间最长的火箭主动力发动机。

氢氧膨胀循环发动机

大推力氢氧发动机试车前的准备工作

此次参与首飞的膨胀循环氢氧发动机区别于传统燃气发生器循环发动机和补燃发动机，不存在燃气发生器以及预燃系统等，避免涡轮烧蚀，发动机固有可靠性高，并容易实现推力和混合比的调节，使用灵活。在工作过程中，其全部推进剂都能无损失地燃烧产生推力，充分发挥液氢和液氧燃烧获得的高比冲，也因此被业内称为“最优动力循环”。

发动机在研制过程中，突破了超高转速氢涡轮泵技术、主动引射高空模拟试车技术等为代表的一批具有自主知识产权的先进成果。发动机氢涡轮泵的额定转速高达每分钟65000转，是我国目前转速最高的涡轮泵。在超高转速氢涡轮泵的研制过程中先后攻克了超高速小通径多级氢泵技术、高效率反力式涡轮技术、超高速氢涡轮泵转子动力学设计、小通径钛合金构件精密铸造和粉末冶金成型技术，以及超高速高DN值超低温轴承技术等。

据查证，先进运载火箭上面级发动机采用氢氧膨胀循环发动机代表了世界各国新一代运载火箭的技术发展方向。世界航天大国一直没有停止对膨胀循环发动机技术研究的步伐，其中美国在几十年的航天活动中，膨胀循环发动机一直在运载火箭上面级动力中占据主导地位，欧、俄、日等航天大国也纷纷研制各自的上面级膨胀循环氢氧发动机。我国膨胀循环氢氧发动机的首飞成功，使我国成为继美国之后第二个将先进的闭式膨胀循环发动机投入使用的国家。

“芯”动力研制攻关新征程

上世纪80年代末，北京11所率先提出研制大推力氢氧火箭发动机的设想，并开展了预研论证工作。2001年12月，“50吨级液氢液氧发动机专项工程”批准立项，该型发动机作为长征五号芯一级大推力氢氧发动机正式开展研制。2003年，膨胀循环氢氧发动机开展预研论证，2006年10月作为长征五号芯二级动力装置正式开展研制。

吃“螃蟹”艰苦卓绝

科研的道路并非一帆风顺，随着研制工作的不断深入，各种问题和薄弱环节开始暴露。创造历史的都是先行者，要做第一个吃到“螃蟹”的人总要经历艰苦卓绝的时期。

2007年1月31日，第三台50吨大推力氢氧发动机完成了第一次长程热试验。试验后检查时发现，推力室出现了结构破坏，故障现象前所未见。之后，连续3台发动机、3次热试验，推力室仍旧出现了结构破坏，并伴随着越来越严重的烧蚀。

面对前所未有的挫折，设计人员通过查阅国内外相关资料、请教国内专家和同行，大胆假设、细心求证，从浩如烟海的数据中“抓住”一丝丝保持架断裂这两只“拦路虎”。故障没有先例可循，没有资料可查，来自总体单位以及上级的各方不同声音，无形中给研制人员增加了巨大的压力。尤其是氢涡轮泵出现了多次轴承破坏问题，有的甚至挺不过一次试验。

探索的过程是艰难的，研制团队孜孜不倦、潜心攻关，经过20多次的模态试验，所有问题得以解决。发动机研制过程中最大的坎儿终于迈过去了，后续所有试车全部成功，至今保持了连续试车30000秒的成功纪录。

试车告捷奠定首飞基础

长征五号运载火箭首飞之前，动品试验验证、质量复查及风险分析等大量的保成功工作，于2015年按时完成首飞产品交付。

“芯”动力航天人的新梦想

“做到极致”是六院领导在两型氢氧发动机参加长五首飞出征动员会上送给研制队伍的四个字，也是氢氧发动机研制团队的一份朴素情怀。

火箭发动机结构复杂，零部件千百万个，可谓牵一发而动全身。在整个研制过程中只有严格遵循系统工程和项目工程的规律，将工作做到完的异常。

发射前研制队伍与长征五号运载火箭合影

发射成功后的喜悦

功夫不负有心人，研制团队历时一年半，终于找到了燃烧中的异常脉动频率，确定了高频不稳定燃烧的深层次故障原因。这是一个国际性难题。

确定原因后，研制团队一鼓作气，对推力室采取了多项综合改进措施，仅仅用5个月就完成了方案论证、设计出图及新产品的研制、生产和试验。2008年11月12日，改进优化设计的推力室热试验一举取得圆满成功，发动机的研制从此大步向前。

无独有偶，在芯二级膨胀循环氢氧发动机的研制过程中，研制队伍遇到了推力室内壁烧蚀、氢涡轮泵轴承力系统试车是火箭出厂前的关键步骤。芯一级动力系统试车从产品方案到产品准备历时两年半，与其他类型火箭发动机试验相比，试验队员们要经受高温、高压、易爆、强震等更多危险的考验。

2015年2月9日，两台大推力氢氧发动机并联组成的芯一级动力系统，按照飞行状态被系固在火箭动力系统试车台上进行460秒的发动机点火试验，其中还包括30秒钟的发动机摇摆试验，试车取得圆满成功。

随后，芯一级以及芯二级动力系统全系统动力试车均取得圆满成功。研制队伍深入开展技术状态梳理、产美和极致，才能确保首飞成功。

临近首飞任务时，研制队伍一直处于高强度的备战状态。仅围绕全系统试车，他们就开展了67项600余次试验。每天长达15个小时的工作强度，让队员们停不下来。

没有轻松获得的成功，没有唾手可得的胜利。在首飞任务背后，两型氢氧发动机研制团队潜心攻关不言苦与累，拼尽全力衣带渐宽终不悔。

站在中国航天的新起点上，北京11所将推动低成本可重复使用液氧甲烷发动机、重型运载火箭发动机的研制攻关，在建设航天强国的路上，不忘初心，追逐新梦想。★