揭"長征五號"發(fā)動機研制過程:兩次爆炸 兩次燒毀
在長征五號的身上，共配備了3種全新大推力發(fā)動機，都是國內首屈一指的大家伙，分別摘得我國“最大推力液氧煤油發(fā)動機”“最大推力氫氧發(fā)動機”“比沖性能最高的火箭發(fā)動機”3個桂冠。
如果打一個比方，這些大推力的發(fā)動機，就是長征五號的“大心臟”，被認為是運載火箭的技術核心和技術基礎，其技術水平在很大程度上決定著火箭的性能、可靠性和成本等關鍵指標。中國青年報·中青在線記者采訪相關專家，揭秘這一大火箭“心臟”是怎樣煉成的。
可把上海黃浦江的水打到青藏高原
從鋪天蓋地的報道里，人們對于長征五號運載火箭究竟有多大并不陌生：約57米，立起來有20層樓高，起飛質量約900噸，不過，要托舉這么重的大家伙，并不容易。
大火箭，離不開大推力，而大推力，離不開發(fā)動機。
目前，我國現(xiàn)役火箭發(fā)動機單臺推力最大只有70噸左右，想要發(fā)射超大型航天器，就顯得“力不從心”了。
新型的大推力發(fā)動機應運而生。
根據(jù)航天科技集團六院副院長周利民的說法，由該院研制的常規(guī)推進劑系列發(fā)動機，為“神舟”飛天、“嫦娥”奔月和多種衛(wèi)星的發(fā)射提供了動力保證，創(chuàng)造了世界航天史上高可靠性、高成功率的傳奇，被譽為中國的“金牌動力”。然而，航天人并未躺在這一榮譽中，停下研制更先進技術的腳步。
周利民說，經(jīng)過15年不懈攻關，8臺全新研制的120噸液氧煤油發(fā)動機，被裝配在長征五號運載火箭的4個助推器上，4臺全新研制的氫氧發(fā)動機，則在一級和二級火箭上各裝配了兩臺。
在長征五號首飛成功之時，有一個說法備受矚目，即這是無毒無污染綠色環(huán)保型新一代運載火箭、起飛推力超過1000噸、運載能力最大，等等。要達成這些目標，都離不開大推力發(fā)動機的功勞。
那么，這些發(fā)動機的威力究竟有多大?
以120噸液氧煤油發(fā)動機為例，周利民打了個形象的比喻，渦輪泵是發(fā)動機的動力源泉，被稱為發(fā)動機的“心臟”，即火箭心臟的“心臟”。這個“心臟”的最高壓強達到500個大氣壓，相當于把上海黃浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。
50噸氫氧發(fā)動機，作為長征五號的一級主動力，也表現(xiàn)不俗。
這是我國首臺大推力、高性能、地面起動直接入軌的氫氧發(fā)動機。航天科技集團六院副院長李斌說，它的研制成功，填補了我國大推力氫氧發(fā)動機空白，使我國液體火箭推進技術的整體水平跨上一個大的臺階。
在中國航天界，有一句話被奉為圭臬，即“發(fā)展航天、運載先行”“運載發(fā)展、動力先行”。畢竟，動力系統(tǒng)是火箭之本。
中國工程院院士、中國運載火箭技術研究院運載火箭系列總設計師龍樂豪說，長征五號的研制歷程就完美地印證了這句話。早在2000年，我國先行啟動了120噸級液氧煤油發(fā)動機和50噸級液氫液氧發(fā)動機研制攻關，過了6年，即2006年，長征五號才真正在國家層面取得正式立項。
破解大火箭“心臟”難題
不過，這一研制過程并不容易。
周利民有一個形象的說法，研制發(fā)動機就像攀登珠穆朗瑪峰的難度，“一些外國專家說，即使我們設計出來，我們也不可能把它制造出來”。
他至今記得，面對全新的發(fā)動機，研制團隊開始了夜以繼日的科技攻關，幾十種新材料、100多種新工藝一一被攻克。然而，發(fā)動機的起動成為一只最大的攔路虎。
周利民說，所謂起動，就類似于飛機的起飛，而起動技術，是發(fā)動機研制的難點和關鍵。“因為在起飛階段，發(fā)動機的轉速，要從靜止狀態(tài)轉到幾萬轉，溫度則從常溫一下子進入到極高溫，而留給我們的控制時間，則是以毫秒級來計的，任何一個控制配合不好，就有可能導致失敗。”
最初讓研制團隊備受打擊的是，發(fā)動機樣機研制出來后，其試車結果連續(xù)4次均遭失敗：兩次起動爆炸，兩次燃氣系統(tǒng)燒毀。
周利民說，這些對整個研制隊伍、設計隊伍信心打擊非常大，很多人做夢都夢見爆炸的場景，吃不下飯，睡不好覺。
經(jīng)過一段時間的攻關，研制團隊終于摸清了發(fā)動機試車失敗的根源和發(fā)生爆炸的不同機理，通過仿真優(yōu)化，選定最理想的啟動方案和程序，發(fā)動機終于試車成功。
不僅如此，凡是與發(fā)動機這個大“心臟”有關的，都有一個個坎兒要邁，“8Hz”難題就是其中一個。
8Hz，聽起來比較專業(yè)，但說起它帶來的影響，可能都有印象。航天科技集團一院長征五號火箭動力系統(tǒng)總體主管設計師于子文說，長征二號F遙5火箭產(chǎn)生的8Hz振動，就曾給我國第一位航天員楊利偉帶來極大的痛苦。
這種共振就像人的心臟不停地抖動一樣，嚴重威脅生命。同樣在火箭上，共振會造成箭體結構損壞，后果不堪設想。
作為大火箭，長征五號的體積比普通火箭更大，在飛行過程中，就可能產(chǎn)生比長征二號F遙5火箭更強烈的振動。要保證火箭可靠飛行，就必須抑制這一振動。
于子文就是專門破解這個難題的，他所在的團隊攻克了POGO穩(wěn)定性設計難關，突破了復雜動力學建模、大型管路動態(tài)特性試驗、大型低溫蓄壓器設計研制等關鍵技術，為長征五號火箭可靠飛行提供了強有力保障。
重型火箭正向我們走來，關鍵技術已在攻關
如今，長征五號成功發(fā)射，中國從此擁有大型運載火箭。
這個將于2017年年底擇機執(zhí)行“嫦娥五號”發(fā)射任務、2018年擇機執(zhí)行空間站工程發(fā)射任務、2020年前后執(zhí)行火星探測器發(fā)射任務的大火箭，也為我國未來重型火箭的研制積累了相關技術，這其中就不乏發(fā)動機的技術儲備。
根據(jù)國家航天局前局長欒恩杰的說法，長征五號的研制，牽引出“心臟”系列化，即三型高性能新型火箭發(fā)動機，均采用無毒無污染的推進技術。這三型發(fā)動機的研制，使我國運載推進技術水平大幅提高。
李斌舉了一個例子，他所在的航天科技集團六院建成了亞洲最大的火箭發(fā)動機試車臺和大功率泵試驗室，其中試車最大能力達到500推力噸級，這為我國研制載人登月重型運載火箭的大推力發(fā)動機奠定了基礎。
所謂重型運載火箭，是指近地軌道運載能力達100噸級的一型火箭，按照欒恩杰的說法，重型運載火箭研制成功后，將滿足未來較長時期深空探測、載人月球探測等國家重大科技活動任務需求。
近年來，美國、俄羅斯等世界航天強國均把發(fā)展先進的航天運載技術確立為國家的重要戰(zhàn)略，紛紛制定和出臺了多項推動空間技術發(fā)展的航天政策和規(guī)劃。美國重型運載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”已轉入詳細設計和制造階段，俄羅斯計劃在2030年前研制出重型運載火箭并實現(xiàn)載人登月。
長征五號首飛成功的當天晚上，國防科工局總工程師、國家航天局秘書長田玉龍就披露，我國的重型火箭也已經(jīng)在路上。
田玉龍說，國防科工局已于2010年開展重型運載火箭論證，歷時一年形成總體方案，通過組織深化論證并經(jīng)相關領域院士專家咨詢，在2015年明確了重型運載火箭技術方案。
目前，我國已經(jīng)批準重型運載火箭第一個研制階段立項研制，即關鍵技術攻關及方案深化論證階段。從2015年起，利用4~5年時間，開展關鍵技術攻關工作，集中突破一大批核心技術。
而發(fā)動機的研制，又將是其中的重頭戲。
