揭"長征五號"發(fā)動機(jī)研制過程：兩次爆炸 兩次燒毀

10月28日，海南省文昌市，長征五號運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射位置。

長征五號大火箭的成功首飛，將中國送入包括美國和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營，全世界為之震撼。更讓人驚嘆的是，被稱作火箭之本的發(fā)動機(jī)，竟是在“短短”10多年間研制出來，趕上這一歷史之戰(zhàn)，成為大火箭首飛大捷的重要功臣。

在長征五號的身上，共配備了3種全新大推力發(fā)動機(jī)，都是國內(nèi)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(jī)”“最大推力氫氧發(fā)動機(jī)”“比沖性能最高的火箭發(fā)動機(jī)”3個桂冠。

如果打一個比方，這些大推力的發(fā)動機(jī)，就是長征五號的“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)。中國青年報·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

從鋪天蓋地的報道里，人們對于長征五號運(yùn)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(zhì)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(jī)。

目前，我國現(xiàn)役火箭發(fā)動機(jī)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(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)航天科技集團(tuán)六院副院長周利民的說法，由該院研制的常規(guī)推進(jìn)劑系列發(fā)動機(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)為中國的“金牌動力”。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，經(jīng)過15年不懈攻關(guān)，8臺全新研制的120噸液氧煤油發(fā)動機(jī)，被裝配在長征五號運(yùn)載火箭的4個助推器上，4臺全新研制的氫氧發(fā)動機(jī)，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(yùn)載火箭、起飛推力超過1000噸、運(yùn)載能力最大，等等。要達(dá)成這些目標(biāo)，都離不開大推力發(fā)動機(jī)的功勞。

那么，這些發(fā)動機(jī)的威力究竟有多大？

以120噸液氧煤油發(fā)動機(jī)為例，周利民打了個形象的比喻，渦輪泵是發(fā)動機(jī)的動力源泉，被稱為發(fā)動機(jī)的“心臟”，即火箭心臟的“心臟”。這個“心臟”的最高壓強(qiáng)達(dá)到500個大氣壓，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)動機(jī)，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(jī)。航天科技集團(tuán)六院副院長李斌說，它的研制成功，填補(bǔ)了我國大推力氫氧發(fā)動機(jī)空白，使我國液體火箭推進(jìn)技術(shù)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(yùn)載先行”“運(yùn)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(yùn)載火箭技術(shù)研究院運(yùn)載火箭系列總設(shè)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(jī)和50噸級液氫液氧發(fā)動機(jī)研制攻關(guān)，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(jī)就像攀登珠穆朗瑪峰的難度，“一些外國專家說，即使我們設(shè)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(jī)，研制團(tuán)隊開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)動機(jī)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(jī)的起飛，而起動技術(shù)，是發(fā)動機(jī)研制的難點(diǎn)和關(guān)鍵。“因為在起飛階段，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，要從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到幾萬 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(dǎo)致失敗。”

最初讓研制團(tuán)隊備受打擊的是，發(fā)動機(jī)樣機(jī)研制出來后，其試車結(jié)果連續(xù)4次均遭失?。簝纱纹饎颖?，兩次燃?xì)庀到y(tǒng)燒毀。

周利民說，這些對整個研制隊伍、設(shè)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(guān)，研制團(tuán)隊終于摸清了發(fā)動機(jī)試車失敗的根源和發(fā)生爆炸的不同機(jī)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(jī)終于試車成功。

不僅如此，凡是與發(fā)動機(jī)這個大“心臟”有關(guān)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(tuán)一院長征五號火箭動力系統(tǒng)總體主管設(shè)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(yán)重威脅生命。同樣在火箭上，共振會造成箭體結(jié)構(gòu)損壞，后果不堪設(shè)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(qiáng)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(tuán)隊攻克了POGO穩(wěn)定性設(shè)計難關(guān)，突破了復(fù)雜動力學(xué)建模、大型管路動態(tài)特性試驗、大型低溫蓄壓器設(shè)計研制等關(guān)鍵技術(shù)，為長征五號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，關(guān)鍵技術(shù)已在攻關(guān)

如今，長征五號成功發(fā)射，中國從此擁有大型運(yùn)載火箭。

這個將于2017年年底擇機(jī)執(zhí)行“嫦娥五號”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)行火星探測器發(fā)射任務(wù)的大火箭，也為我國未來重型火箭的研制積累了相關(guān)技術(shù)，這其中就不乏發(fā)動機(jī)的技術(shù)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(jī)，均采用無毒無污染的推進(jìn)技術(shù)。這三型發(fā)動機(jī)的研制，使我國運(yùn)載推進(jìn)技術(shù)水平大幅提高。

李斌舉了一個例子，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)動機(jī)試車臺和大功率泵試驗室，其中試車最大能力達(dá)到500推力噸級，這為我國研制載人登月重型運(yùn)載火箭的大推力發(fā)動機(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噸級的一型火箭，按照欒恩杰的說法，重型運(yùn)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(wù)需求。

近年來，美國、俄羅斯等世界航天強(qiáng)國均把發(fā)展先進(jìn)的航天運(yùn)載技術(shù)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(shù)發(fā)展的航天政策和 規(guī)劃。美國重型運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”已轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計和制造階段，俄羅斯計劃在2030年前研制出重型運(yùn)載火箭并實(shí)現(xiàn)載人登月。

長征五號首飛成功的當(dāng)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(yùn)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(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，我國已經(jīng)批準(zhǔn)重型運(yùn)載火箭第一個研制階段立項研制，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年時間，開展關(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)動機(jī)的研制，又將是其中的重頭戲。