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液氧煤油发动机:航天新征程动力新高峰

时间:2016年04月26日 信息来源:杨军 朱怡蓝 点击: 【字体:



 随着长征六号运载火箭一飞冲天,我国航天动力不仅进入了绿色无毒时代,也将我国航天动力推上了新高峰。
  长征六号火箭的动力系统——三级运载火箭发动机全部都由地处西安航天基地的中国航天科技集团六院研制;一级火箭采用了120吨液氧煤油发动机作为主动力,二级火箭使用的是18吨液氧煤油发动机。
  液氧煤油发动机填补了我国补燃循环发动机的技术空白,使我国航天动力进入绿色环保新时代。她的诞生,不仅使我国成为继苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家,同时也开创了我国发动机领域的多个第一。



航天新动力,“新”在哪里


 一是新在廉价环保。绿色环保是液氧煤油发动机的一大特点,实现了我国火箭动力从常规有毒至绿色无毒的巨大跨越。
  在新一代发动机研究之初,就决定选择无毒的液氧和烃类推进剂。研制人员通过比较煤油、甲烷和丙烷等几种推进剂,确定了代表技术发展趋势的液氧煤油作为推进剂。然而,火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点。经过努力,我国研制出了国产的火箭煤油。
  同时,液氧煤油发动机推进剂具有来源广泛、价格低廉的优点,平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级。以发射神舟飞船的长征2F火箭为例,如果采用液氧煤油,每次发射可以节约推进剂费用上千万元。
  二是新在集多项新技术于一身。液氧煤油发动机突破了高压补燃关键技术80余项,其中,最为突出的是以下7项新技术:
  1)先进的补燃循环技术:液氧煤油发动机采用的补燃循环是一种闭式循环,可以使全部推进剂的化学能得到充分释放,提高了发动机的性能。所谓补燃循环是指燃气经涡轮做功后进入燃烧室进行二次燃烧(补燃),从而更充分地利用推进剂的能量。相对发生器循环来说,补燃循环方式的综合效率更高,但结构较为复杂,设计难度大。
  2)先进的自身起动技术:补燃发动机首先要解决自身起动这一难题。我国以往的发动机需要依靠专门的火药起动器等装置,而液氧煤油发动实现了自身起动,二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。
  3)大范围推力调节技术:为了提高运载火箭的性能和适应性,液氧煤油发动机具有大范围推力调节能力,如同自动档的汽车,可以实现无级变速。对于载人航天来说,通过推力调节可以有效降低火箭飞行中的加速度,提高航天员的舒适度,降低对航天员的体能要求,使普通人也有望遨游太空。
  4)先进的高效燃烧技术:在空间很小的腔体内完成推进剂的高效燃烧,是液体火箭发动机的技术诀窍。液氧煤油发动机燃烧腔体较小,而燃烧效率达到98%以上。
  5)高压大功率的涡轮泵技术:涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的心脏。液氧煤油发动机的泵产生的最大压强达到500个大气压。
  6)多次试车技术:液氧煤油发动机具有多次工作的能力,发动机生产出来后可以进行试车考核,通过“磨合”试验后重新校准、检查,合格后再交付使用,使发动机的精确度和可靠性得到保证。同时,可以在此技术基础上研制重复使用的发动机,使运载火箭能实现天地往返的可重复飞行。
  7)先进的试验技术:为了保证液氧煤油发动机的研制,中国航天科技集团公司六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,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。
  三是新在用途广泛。液氧煤油发动机可以通过发动机台数的模块化组合,形成低轨道10~25吨、太阳同步轨道5~15吨、地球同步转移轨道6~13吨的运载能力,与国外最先进的阿里安5、宇宙神5、德尔它4以及正在研制的“安加拉”运载火箭处于同一水平。
  同时,液氧煤油发动机还能替换现役火箭发动机,不仅能实现现役火箭的绿色环保,还能大幅提升火箭的运载能力。以长征2F火箭为例,其下面级采用8常规推进剂台发动机,运载能力约为9吨,如果换成液氧煤油发动机,只需要6台就能将运载能力提升到13.5吨。
  四是新在促进技术发展。液氧煤油发动机材料新、技术新,基于国内当时的工业基础,都无法找到相应的材料。通过发动机的研制,我国突破并掌握了多项新工艺和新材料,研制开发了近50种新材料,突破了30多项关键工艺。


中国新高峰,“高”在何处?


 我国现役火箭发动机的单台推力在70吨左右。120吨液氧煤油发动机的诞生,一举将我国火箭发动机单台推力提升了60%,极大提升了我国进入空间的能力。
  除了长征六号火箭以外,我国新一代运载火箭家族中的长征五号、长征七号也将使用120吨液氧煤油发动机。“120吨级液氧煤油发动机的研制成功,将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定坚实的基础。”六院院长谭永华表示。

 瞄准我国航天事业发展需要,六院还在进行更大推力的液氧煤油发动机的研制,未来将建立满足我国航天事业发展需要的液氧煤油发动机型谱。“发展航天,动力先行。液氧煤油发动机将推动我国加快由航天大国迈向航天强国的步伐。”院长谭永华自信地说道。


 上文选自《中国航天》,如有需要请查阅该期刊。

(作者:佚名)
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