核心提示:10月28日,海南省文昌市,长征五号运载火箭在海南文昌发射场垂直转运至发射位置。 长征五号大火箭的成功首飞,将中国送入包括美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营,全世界为之震撼。更让人惊叹的是,被称作火...

10月28日,海南省文昌市,长征五号运载火箭在海南文昌发射场垂直转运至发射位置。
长征五号大火箭的成功首飞,将中国送入包括美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营,全世界为之震撼。更让人惊叹的是,被称作火箭之本的发动机,竟是在“短短”10多年间研制出来,赶上这一历史之战,成为大火箭首飞大捷的重要功臣。
在长征五号的身上,共配备了3种全新大推力发动机,都是国内首屈一指的大家伙,分别摘得我国“最大推力液氧煤油发动机”“最大推力氢氧发动机”“比冲性能最高的火箭发动机”3个桂冠。
如果打一个比方,这些大推力的发动机,就是长征五号的“大心脏”,被认为是运载火箭的技术核心和技术基础,其技术水平在很大程度上决定着火箭的性能、可靠性和成本等关键指标。中国青年报·中青在线记者采访相关专家,揭秘这一大火箭“心脏”是怎样炼成的。
可把上海黄浦江的水打到青藏高原
从铺天盖地的报道里,人们对于长征五号运载火箭究竟有多大并不陌生:约57米,立起来有20层楼高,起飞质量约900吨,不过,要托举这么重的大家伙,并不容易。
大火箭,离不开大推力,而大推力,离不开发动机。
目前,我国现役火箭发动机单台推力最大只有70吨左右,想要发射超大型航天器,就显得“力不从心”了。
新型的大推力发动机应运而生。
根据航天科技集团六院副院长周利民的说法,由该院研制的常规推进剂系列发动机,为“神舟”飞天、“嫦娥”奔月和多种卫星的发射提供了动力保证,创造了世界航天史上高可靠性、高成功率的传奇,被誉为中国的“金牌动力”。然而,航天人并未躺在这一荣誉中,停下研制更先进技术的脚步。
周利民说,经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机,被装配在长征五号运载火箭的4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机,则在一级和二级火箭上各装配了两台。
在长征五号首飞成功之时,有一个说法备受瞩目,即这是无毒无污染绿色环保型新一代运载火箭、起飞推力超过1000吨、运载能力最大,等等。要达成这些目标,都离不开大推力发动机的功劳。
那么,这些发动机的威力究竟有多大?
以120吨液氧煤油发动机为例,周利民打了个形象的比喻,涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的“心脏”,即火箭心脏的“心脏”。这个“心脏”的最高压强达到500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。
50吨氢氧发动机,作为长征五号的一级主动力,也表现不俗。
这是我国首台大推力、高性能、地面起动直接入轨的氢氧发动机。航天科技集团六院副院长李斌说,它的研制成功,填补了我国大推力氢氧发动机空白,使我国液体火箭推进技术的整体水平跨上一个大的台阶。
在中国航天界,有一句话被奉为圭臬,即“发展航天、运载先行”“运载发展、动力先行”。毕竟,动力系统是火箭之本。
中国工程院院士、中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪说,长征五号的研制历程就完美地印证了这句话。早在2000年,我国先行启动了120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机研制攻关,过了6年,即2006年,长征五号才真正在国家层面取得正式立项。
破解大火箭“心脏”难题
不过,这一研制过程并不容易。
周利民有一个形象的说法,研制发动机就像攀登珠穆朗玛峰的难度,“一些外国专家说,即使我们设计出来,我们也不可能把它制造出来”。
他至今记得,面对全新的发动机,研制团队开始了夜以继日的科技攻关,几十种新材料、100多种新工艺一一被攻克。然而,发动机的起动成为一只最大的拦路虎。
周利民说,所谓起动,就类似于飞机的起飞,而起动技术,是发动机研制的难点和关键。“因为在起飞阶段,发动机的转速,要从静止状态转到几万转,温度则从常温一下子进入到极高温,而留给我们的控制时间,则是以毫秒级来计的,任何一个控制配合不好,就有可能导致失败。”
最初让研制团队备受打击的是,发动机样机研制出来后,其试车结果连续4次均遭失败:两次起动爆炸,两次燃气系统烧毁。
周利民说,这些对整个研制队伍、设计队伍信心打击非常大,很多人做梦都梦见爆炸的场景,吃不下饭,睡不好觉。
经过一段时间的攻关,研制团队终于摸清了发动机试车失败的根源和发生爆炸的不同机理,通过仿真优化,选定最理想的启动方案和程序,发动机终于试车成功。
不仅如此,凡是与发动机这个大“心脏”有关的,都有一个个坎儿要迈,“8Hz”难题就是其中一个。
8Hz,听起来比较专业,但说起它带来的影响,可能都有印象。航天科技集团一院长征五号火箭动力系统总体主管设计师于子文说,长征二号F遥5火箭产生的8Hz振动,就曾给我国第一位航天员杨利伟带来极大的痛苦。
这种共振就像人的心脏不停地抖动一样,严重威胁生命。同样在火箭上,共振会造成箭体结构损坏,后果不堪设想。
作为大火箭,长征五号的体积比普通火箭更大,在飞行过程中,就可能产生比长征二号F遥5火箭更强烈的振动。要保证火箭可靠飞行,就必须抑制这一振动。
于子文就是专门破解这个难题的,他所在的团队攻克了POGO稳定性设计难关,突破了复杂动力学建模、大型管路动态特性试验、大型低温蓄压器设计研制等关键技术,为长征五号火箭可靠飞行提供了强有力保障。
重型火箭正向我们走来,关键技术已在攻关
如今,长征五号成功发射,中国从此拥有大型运载火箭。
这个将于2017年年底择机执行“嫦娥五号”发射任务、2018年择机执行空间站工程发射任务、2020年前后执行火星探测器发射任务的大火箭,也为我国未来重型火箭的研制积累了相关技术,这其中就不乏发动机的技术储备。
根据国家航天局前局长栾恩杰的说法,长征五号的研制,牵引出“心脏”系列化,即三型高性能新型火箭发动机,均采用无毒无污染的推进技术。这三型发动机的研制,使我国运载推进技术水平大幅提高。
李斌举了一个例子,他所在的航天科技集团六院建成了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,其中试车最大能力达到500推力吨级,这为我国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。
所谓重型运载火箭,是指近地轨道运载能力达100吨级的一型火箭,按照栾恩杰的说法,重型运载火箭研制成功后,将满足未来较长时期深空探测、载人月球探测等国家重大科技活动任务需求。
近年来,美国、俄罗斯等世界航天强国均把发展先进的航天运载技术确立为国家的重要战略,纷纷制定和出台了多项推动空间技术发展的航天政策和规划。美国重型运载火箭“太空发射系统”已转入详细设计和制造阶段,俄罗斯计划在2030年前研制出重型运载火箭并实现载人登月。
长征五号首飞成功的当天晚上,国防科工局总工程师、国家航天局秘书长田玉龙就披露,我国的重型火箭也已经在路上。
田玉龙说,国防科工局已于2010年开展重型运载火箭论证,历时一年形成总体方案,通过组织深化论证并经相关领域院士专家咨询,在2015年明确了重型运载火箭技术方案。
目前,我国已经批准重型运载火箭第一个研制阶段立项研制,即关键技术攻关及方案深化论证阶段。从2015年起,利用4~5年时间,开展关键技术攻关工作,集中突破一大批核心技术。
而发动机的研制,又将是其中的重头戏。
打造更强劲“中国心”——我国航空发动机事业七十载风云
AES100发动机。 中国航发供图 日前举办的中国航发国企开放日活动传来喜讯,以中国航发动研所为主自主设计研发、中国航发南方工业有限公司牵头制造生产的1000千瓦级民用涡轴发动机AES100,已获颁中国民用航空局型号合格证。 这是我国第一型严格按照国际通行适航标准自主研制、具有完全自主知识产权的先进民用涡轴发动机,实现了我国先进民用航空发动机自主研制产品从无到有的历史性突破。 从1954年新中国制造的第一台航空发动机M-11开始,老一辈航发人自力更生、艰苦奋斗,在工业基础薄弱、技术积累一片空白的情况下,绘就出一幅幅大干、快干的生动图景,为新中国航空发动机事业拼出一片新天地,创造了零的突破。 走过七十载岁月,我国航空发动机事业已实现从试制活塞发动机到自主研制涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等系列先进发动机的历史性转变。新一代航发人站在新的起点上,正向着打造更加强劲“中国心”、建设航空强国的宏伟目标奋勇前进。 任务交给墙泥未干的国营厂 如今,各大城市的机场上空,不时有银鹰拖着巨大的轰鸣声飞过蔚蓝色天穹,成为都市繁荣的一景。可鲜有人知,新中国第一架自己制造的银鹰的“心脏”——航空发动机,是70年前,2000多名来自五湖四海的第一批航发人干出来的。他们肩负着“保家卫国”的神圣使命,日夜兼程来到株洲,众志成城、攻坚克难,在一片废墟中,艰难地开始了新中国第一台航空发动机的制造,书写从无到有的动力传奇。 1951年4月,《关于航空工业建设的决定》颁发,这是新中国航空工业的原点。仅仅过了3年时间,百废待兴的新中国就要制造出高度复杂的航空发动机,难度可想而知。 试制航空发动机的任务,交给了墙泥未干的国营三三一厂(现中国航发南方工业有限公司)。 工厂第一代员工、89岁的李腾芳至今仍记得当时的一些情况。M-11航空发动机,起飞功率为118千瓦(160马力),用于军用教练机,共有零部件567种2684件。对于以修理航空发动机为任务而组建的国营三三一厂,试制任务难度之大,可想而知。几千张施工卡要重新编制,3121种工具、夹具、刀具、量具需要设计制造,生产工艺装备的厂房要从土建开始…… 这些,仿佛一座座高山,横亘在创业者面前。 根据生产需要和工厂实际,厂里设立了设计、工艺、冶金、检验四大总师,抽调技术骨干强化技术部门,相继建立了各项管理制度。经过反复研究,工厂决策部门提出了“平行作业,分步实施,关键环节集中围歼”的攻关策略,一场航发人与困难斗争、与时间赛跑的序幕就此拉开。 没有光学曲线磨床,也没有线切割机床,航发人就用锉刀锉、油石磨,制成数十块型板和样板,最终完成了钢模制造任务;镀槽尚未加工完成,航发人仅凭着一本旧书摊上淘来的《电镀法》,经过无数次试验,成功为第一个零部件镀上了铜…… 1954年7月26日,最后一批零部件加工完毕。装配工人接连奋战3个昼夜,完成了总装任务。8月16日,M-11发动机200小时长期运行试车考验顺利结束。 在审查有关资料和现场察看发动机运转情况并对发动机进行分解检查后,国家鉴定委员会签署鉴定意见,批准工厂进行成批生产,这标志着新中国第一台航空发动机试制成功。 李腾芳回忆起70年前那一幕仍激动不已:共和国刚成立5年,就填补了航空发动机制造的空白,中国人不能制造航空发动机的历史结束了!全厂员工把会场围得水泄不通,聚在一起相互拥抱握手,道贺成功,欣喜伴着泪水,人们久久不散;热烈的掌声仿佛气势磅礴的大潮,飞出偏僻的小山冲,直上云霄…… 今日首都北京中轴线北延长线的东侧,雍容大度、气势磅礴的中国共产党历史展览馆巍然矗立。展览馆一角的聚光灯下,陈列着一台宛若莲花般的航空发动机,机体斑驳的锈迹深深地浓缩了那一段奋斗的记忆。 “我们在跑,别人也在跑” 攀登一座高山后,却发现有更多高山等着征服。 中国航发南方工业有限公司原总经理陶光孟在接受记者采访时指出,斗志昂扬的航发人,并不甘躺在功劳簿上,决心开始研制喷气发动机,继续走自主创新之路。 20世纪六七十年代,新一轮世界科技革命风起云涌,航空发动机的温度、压力、转速、负荷等性能指标逐渐逼近极限,成为一个国家工业基础和科技水平的集中体现,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。 从试制航空发动机到自主研发设计制造航空发动机,我国航空发动机事业的征途依然漫漫。 1976年夏天,黄沙漫天的建筑工地上,湖南动力机械研究所(现中国航发动研所)的干部职工正一同卸载从长沙运来的试验用油罐。这一年,是研究所由长沙迁到株洲的第3年。 1984年,“玉龙”发动机预研工作在研究所正式起步。与新中国第一台航空发动机相比,“玉龙”发动机的意义同样重大,将填补我国在自主研制涡轴发动机领域的空白,为我国的直升机装上“中国心”。 “每次去长沙计算中心,半夜就开始排队,计算打印出来的数据要用箩筐来挑,回来后再手工处理,一个一个数据仔细核对。”一名研制“玉龙”发动机的亲历者回忆:“那时,科研经费短缺,试验人员都十分小心,发动机一有‘风吹草动’就下台分解检查,推转速、上状态,如履薄冰、反复斟酌。” 26年磨一剑。2010年,作为我国第一型完全自主创新的先进涡轴发动机,“玉龙”发动机通过设计定型审查。2013年,“玉龙”发动机工程荣获国家科学技术进步奖一等奖,这是我国航空发动机单独申报取得的最高国家级奖项。 中国工程院院士、中国航发科技委原主任尹泽勇在“玉龙”发动机自主创新研发使用发展40年座谈会上,曾这样评价“玉龙”发动机的研制:“我们在跑,别人也在跑,要追上别人,勇于创新才能跑出加速度。” 2016年,中国航空发动机集团有限公司组建,开启了新时代航空发动机事业的崭新篇章。 如今的动研所,2600多人的员工队伍中,1600多人学历为硕博。研发人员平均年龄37岁。一群青年科技尖兵在发动机研制中默默耕耘,频传捷报。 包容试验是航空发动机风险最大的试验之一,是检验航空发动机机匣包容能力的特种试验。试验中要在最大转速下主动脱落叶片,而此时,飞出的叶片不允许击穿机匣,更不允许产生危害性的后果。 负责这一项目的一位副总师介绍,叶片在飞行中因为各种情况可能断裂,安全要求是断裂后不能击穿机匣,不能起大火。由于国外对这一技术严格封锁,动研所的工程师们自行研发、试制。其间,设计迭代100多次。 试验中,要对高度旋转的发动机停车切轴,其产生的碎片比子弹还快,具有高度危险性。为此,现场还专门配备了消防车和救护车,以备不时之需。 类似的试验不胜枚举。诸如防飞鸟撞击、极端天气下的吸雨结冰等测试,都历经无数次艰难的试验,浸润着研发团队辛勤的汗水,为最终摘得“皇冠上的明珠”立下了汗马功劳。 每一次抵达都是开创性的迸发 2024年,低空经济被首次写入政府工作报告。党的二十届三中全会再次强调“发展通用航空和低空经济”。 “让国产民用直升机装上自主研制的先进民用涡轴发动机,这是几代航发人的梦想。”中国航发专职总师、AES100发动机总设计师李概奇说,“当接到任务时,我们都很激动,决心要让梦想成真。” 要拿到中国民航局颁发的型号合格证,意味着AES100发动机要在高温、高压、高转速、高载荷等恶劣环境下,在有限空间内集成上万个零部件长时间安全可靠运行,意味着AES100发动机要通过世界级难度水平的考试,意味着配装的直升机能安全执行巡逻、救援、观光、公务飞行等多种任务。 被冠以“第一”的每一次抵达,都是开创性的迸发。 李概奇带领团队打破传统思维,注重打好提前量、留出冗余度、做到极致,针对影响发动机性能、寿命、成本、安全性的关键瓶颈开展技术攻关,首次提出并实施了低油耗、长寿命、高安全性且经济性好的涡轴发动机研制技术路线,首次自主创新完成了涡轴发动机3000小时首翻期(指发动机首次大修的时间)寿命、整机结冰等一系列适航试验,突破了数十项关键核心技术,填补了我国民用航空发动机技术领域的诸多空白。 在低空经济的赛道下,这里不只有AES100发动机。将视线转向中国航发动研所科技成果展厅,一台台闪耀着“工业银”金属色彩的发动机,见证着中国航发支撑低空经济发展的通航动力产业布局。 全国人大代表、中国航发动研所专职总师单晓明指出,通航动力是构建自主低空装备体系的关键,一架民用飞机中,航空发动机的价值约占27%。如今,中国航发已是通航动力的研究龙头和核心力量。 从新中国成立时的一穷二白,到涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等先进航空发动机系列化发展,位于株洲的中国航发动研所和中国航发南方工业有限公司,已经成为我国最重要的中小型航空发动机研制生产基地。单晓明表示,研制团队将锚定高水平科技自立自强,打造更强劲的“中国心”。 来源:中国青年报 作者: 洪克非返回搜狐,查看更多 责任编辑:
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