揭"長(zhǎng)征五號(hào)"發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程:兩次爆炸 兩次燒毀

在長(zhǎng)征五號(hào)的身上，共配備了3種全新大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，都是國(guó)內(nèi)首屈一指的大家伙，分別摘得我國(guó)“最大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)”“最大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)”“比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”3個(gè)桂冠。

如果打一個(gè)比方，這些大推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，就是長(zhǎng)征五號(hào)的“大心臟”，被認(rèn)為是運(yùn)載火箭的技術(shù)核心和技術(shù)基礎(chǔ)，其技術(shù)水平在很大程度上決定著火箭的性能、可靠性和成本等關(guān)鍵指標(biāo)。中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者采訪相關(guān)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(bào)道里，人們對(duì)于長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭究竟有多大并不陌生：約57米，立起來(lái)有20層樓高，起飛質(zhì)量約900噸，不過(guò)，要托舉這么重的大家伙，并不容易。

大火箭，離不開(kāi)大推力，而大推力，離不開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前，我國(guó)現(xiàn)役火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)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(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)航天科技集團(tuán)六院副院長(zhǎng)周利民的說(shuō)法，由該院研制的常規(guī)推進(jìn)劑系列發(fā)動(dòng)機(jī)，為“神舟”飛天、“嫦娥”奔月和多種衛(wèi)星的發(fā)射提供了動(dòng)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(yù)為中國(guó)的“金牌動(dòng)力”。然而，航天人并未躺在這一榮譽(yù)中，停下研制更先進(jìn)技術(shù)的腳步。

周利民說(shuō)，經(jīng)過(guò)15年不懈攻關(guān)，8臺(tái)全新研制的120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，被裝配在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的4個(gè)助推器上，4臺(tái)全新研制的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，則在一級(jí)和二級(jí)火箭上各裝配了兩臺(tái)。

在長(zhǎng)征五號(hào)首飛成功之時(shí)，有一個(gè)說(shuō)法備受矚目，即這是無(wú)毒無(wú)污染綠色環(huán)保型新一代運(yùn)載火箭、起飛推力超過(guò)1000噸、運(yùn)載能力最大，等等。要達(dá)成這些目標(biāo)，都離不開(kāi)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的功勞。

那么，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的威力究竟有多大?

以120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，周利民打了個(gè)形象的比喻，渦輪泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源泉，被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，即火箭心臟的“心臟”。這個(gè)“心臟”的最高壓強(qiáng)達(dá)到500個(gè)大氣壓，相當(dāng)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(dòng)機(jī)，作為長(zhǎng)征五號(hào)的一級(jí)主動(dòng)力，也表現(xiàn)不俗。

這是我國(guó)首臺(tái)大推力、高性能、地面起動(dòng)直接入軌的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。航天科技集團(tuán)六院副院長(zhǎng)李斌說(shuō)，它的研制成功，填補(bǔ)了我國(guó)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)空白，使我國(guó)液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺(tái)階。

在中國(guó)航天界，有一句話被奉為圭臬，即“發(fā)展航天、運(yùn)載先行”“運(yùn)載發(fā)展、動(dòng)力先行”。畢竟，動(dòng)力系統(tǒng)是火箭之本。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院運(yùn)載火箭系列總設(shè)計(jì)師龍樂(lè)豪說(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)的研制歷程就完美地印證了這句話。早在2000年，我國(guó)先行啟動(dòng)了120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制攻關(guān)，過(guò)了6年，即2006年，長(zhǎng)征五號(hào)才真正在國(guó)家層面取得正式立項(xiàng)。

破解大火箭“心臟”難題

不過(guò)，這一研制過(guò)程并不容易。

周利民有一個(gè)形象的說(shuō)法，研制發(fā)動(dòng)機(jī)就像攀登珠穆朗瑪峰的難度，“一些外國(guó)專家說(shuō)，即使我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)，我們也不可能把它制造出來(lái)”。

他至今記得，面對(duì)全新的發(fā)動(dòng)機(jī)，研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了夜以繼日的科技攻關(guān)，幾十種新材料、100多種新工藝一一被攻克。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)成為一只最大的攔路虎。

周利民說(shuō)，所謂起動(dòng)，就類似于飛機(jī)的起飛，而起動(dòng)技術(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難點(diǎn)和關(guān)鍵。“因?yàn)樵谄痫w階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，要從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，溫度則從常溫一下子進(jìn)入到極高溫，而留給我們的控制時(shí)間，則是以毫秒級(jí)來(lái)計(jì)的，任何一個(gè)控制配合不好，就有可能導(dǎo)致失敗。”

最初讓研制團(tuán)隊(duì)備受打擊的是，發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)研制出來(lái)后，其試車(chē)結(jié)果連續(xù)4次均遭失敗：兩次起動(dòng)爆炸，兩次燃?xì)庀到y(tǒng)燒毀。

周利民說(shuō)，這些對(duì)整個(gè)研制隊(duì)伍、設(shè)計(jì)隊(duì)伍信心打擊非常大，很多人做夢(mèng)都?jí)粢?jiàn)爆炸的場(chǎng)景，吃不下飯，睡不好覺(jué)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的攻關(guān)，研制團(tuán)隊(duì)終于摸清了發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)失敗的根源和發(fā)生爆炸的不同機(jī)理，通過(guò)仿真優(yōu)化，選定最理想的啟動(dòng)方案和程序，發(fā)動(dòng)機(jī)終于試車(chē)成功。

不僅如此，凡是與發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)大“心臟”有關(guān)的，都有一個(gè)個(gè)坎兒要邁，“8Hz”難題就是其中一個(gè)。

8Hz，聽(tīng)起來(lái)比較專業(yè)，但說(shuō)起它帶來(lái)的影響，可能都有印象。航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)火箭動(dòng)力系統(tǒng)總體主管設(shè)計(jì)師于子文說(shuō)，長(zhǎng)征二號(hào)F遙5火箭產(chǎn)生的8Hz振動(dòng)，就曾給我國(guó)第一位航天員楊利偉帶來(lái)極大的痛苦。

這種共振就像人的心臟不停地抖動(dòng)一樣，嚴(yán)重威脅生命。同樣在火箭上，共振會(huì)造成箭體結(jié)構(gòu)損壞，后果不堪設(shè)想。

作為大火箭，長(zhǎng)征五號(hào)的體積比普通火箭更大，在飛行過(guò)程中，就可能產(chǎn)生比長(zhǎng)征二號(hào)F遙5火箭更強(qiáng)烈的振動(dòng)。要保證火箭可靠飛行，就必須抑制這一振動(dòng)。

于子文就是專門(mén)破解這個(gè)難題的，他所在的團(tuán)隊(duì)攻克了POGO穩(wěn)定性設(shè)計(jì)難關(guān)，突破了復(fù)雜動(dòng)力學(xué)建模、大型管路動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)、大型低溫蓄壓器設(shè)計(jì)研制等關(guān)鍵技術(shù)，為長(zhǎng)征五號(hào)火箭可靠飛行提供了強(qiáng)有力保障。

重型火箭正向我們走來(lái)，關(guān)鍵技術(shù)已在攻關(guān)

如今，長(zhǎng)征五號(hào)成功發(fā)射，中國(guó)從此擁有大型運(yùn)載火箭。

這個(gè)將于2017年年底擇機(jī)執(zhí)行“嫦娥五號(hào)”發(fā)射任務(wù)、2018年擇機(jī)執(zhí)行空間站工程發(fā)射任務(wù)、2020年前后執(zhí)行火星探測(cè)器發(fā)射任務(wù)的大火箭，也為我國(guó)未來(lái)重型火箭的研制積累了相關(guān)技術(shù)，這其中就不乏發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)儲(chǔ)備。

根據(jù)國(guó)家航天局前局長(zhǎng)欒恩杰的說(shuō)法，長(zhǎng)征五號(hào)的研制，牽引出“心臟”系列化，即三型高性能新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，均采用無(wú)毒無(wú)污染的推進(jìn)技術(shù)。這三型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，使我國(guó)運(yùn)載推進(jìn)技術(shù)水平大幅提高。

李斌舉了一個(gè)例子，他所在的航天科技集團(tuán)六院建成了亞洲最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)和大功率泵試驗(yàn)室，其中試車(chē)最大能力達(dá)到500推力噸級(jí)，這為我國(guó)研制載人登月重型運(yùn)載火箭的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

所謂重型運(yùn)載火箭，是指近地軌道運(yùn)載能力達(dá)100噸級(jí)的一型火箭，按照欒恩杰的說(shuō)法，重型運(yùn)載火箭研制成功后，將滿足未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期深空探測(cè)、載人月球探測(cè)等國(guó)家重大科技活動(dòng)任務(wù)需求。

近年來(lái)，美國(guó)、俄羅斯等世界航天強(qiáng)國(guó)均把發(fā)展先進(jìn)的航天運(yùn)載技術(shù)確立為國(guó)家的重要戰(zhàn)略，紛紛制定和出臺(tái)了多項(xiàng)推動(dòng)空間技術(shù)發(fā)展的航天政策和規(guī)劃。美國(guó)重型運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”已轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造階段，俄羅斯計(jì)劃在2030年前研制出重型運(yùn)載火箭并實(shí)現(xiàn)載人登月。

長(zhǎng)征五號(hào)首飛成功的當(dāng)天晚上，國(guó)防科工局總工程師、國(guó)家航天局秘書(shū)長(zhǎng)田玉龍就披露，我國(guó)的重型火箭也已經(jīng)在路上。

田玉龍說(shuō)，國(guó)防科工局已于2010年開(kāi)展重型運(yùn)載火箭論證，歷時(shí)一年形成總體方案，通過(guò)組織深化論證并經(jīng)相關(guān)領(lǐng)域院士專家咨詢，在2015年明確了重型運(yùn)載火箭技術(shù)方案。

目前，我國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)重型運(yùn)載火箭第一個(gè)研制階段立項(xiàng)研制，即關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及方案深化論證階段。從2015年起，利用4~5年時(shí)間，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，集中突破一大批核心技術(shù)。

而發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，又將是其中的重頭戲。