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姜毅:为长征五号编织“火焰尾翼”

时间:2016年11月28日 信息来源:中国科技网-科技日报 点击: 【字体:

人物档案

姜毅,生于1965年,现为北京理工大学教授、博士生导师,宇航学院兵器发射理论与技术学科负责人,一直从事火箭导弹发射气体动力学、火箭导弹发射系统设计和发射系统仿真等的研究工作。

11月3日晚,当长征五号点火升空时,姜毅正守在家中的电视机前,紧盯着画面中那一簇簇耀眼夺目的火焰——长征五号点火的瞬间,数百吨水喷向火箭的尾翼,顷刻间,水化作的一团团巨型的水汽,成为了当晚夜空中绚丽的“火焰尾翼”。

历时三年,北京理工大学宇航学院姜毅教授及其团队承担的海南航天发射场导流槽理论研究及缩比试验工作,在这一刻交上了完美答卷。

设计创意十足 却遭受质疑

姜毅团队大胆提出用“向火焰喷水”的方法缩短火焰长度,可一浪浪的质疑声,让“喷水”方案看起来困难重重……

长征五号,在一众火箭“兄弟”中,它是我国目前运载能力最大的新一代运载火箭,也是我国迄今为止研制的最大推力运载火箭。

为了托举起这个庞然大物,点火时火焰同时从若干喷管中喷出,火焰的温度之高不仅能极快地熔化铸铁和铜,高温高速的燃气还会产生强大的冲击力。如果不能将其顺畅地排出,火箭反溅的燃气流会对运载火箭的安全产生严重影响,甚至可能酿成发射事故。

而位于火箭发射台下端的导流槽,它的主要作用在于排导发射时产生的大量的高温高速燃气流,防止燃气回火或冲向地面设施,保证火箭与地面设施的安全。

姜毅告诉科技日报记者,由于推力的增大,长征五号所需的能量相应增多,发射时所喷射的火焰长度也大幅增长,这一切都给火箭发射带来空前难题。

“火焰长度的增加,就意味着导流槽必须挖得更深才行;而深挖导流槽就会导致施工成本大幅增加。” 总体设计单位当时就决定,发射场的导流槽必须采用新的设计思路。

如果不挖深坑,是否可以向燃气流喷水呢?设计方案时,姜毅团队凭借多年的研究经验和技术优势,配合发射场总体设计单位,大胆提出用“向火焰喷水”的方法缩短火焰长度。

水是否能让火焰长度减短吗?不少方案评审专家担心,火箭发射时,火箭发动机喷管出口燃气速度惊人(3个多马赫数,超过了2000m/s),水能喷得进去吗?会不会一碰到燃气边界就反弹了呢?

一浪浪的质疑声,让“喷水”方案看起来困难重重。

10个月证明“向火喷水”可行

面对质疑,姜毅选择用数据说话。他们利用数值建模技术实现了“向燃气流喷水”的理论分析……

面对质疑,姜毅选择用数据说话。仅用10个月时间,姜毅团队就利用数值建模技术实现了“向燃气流喷水”的理论分析,并配合发射场总体单位完成了上百种方案设计的理论研究。

那段时间,熬夜、加班对于姜毅来说都再寻常不过。

当时,姜毅的团队兵分两路,一头在北京争分夺秒地进行理论计算;另一头则在西安试验场连续奋战3个多月,实验一个接一个,短时间内完成了大量的试验任务。

拿出研究方案后,清晰的数据证明“喷水”的可行性。“同意!”这一方案得到了在场所有专家及领导的赞许。回忆起当时的那一幕,严谨而腼腆的姜毅,激动得挥起手来,摆出了一个“OK”的手势,脸上笑开了花。

光理论上可行还不够,需要实践进一步证明。姜毅教授带领7名博士生和总体单位一起攻关,通过缩比喷水试验,证明了通过向火箭燃气流喷水可大幅降低燃气射流核心区长度,为降低导流槽设计深度提供了重要的科学依据,大幅节约施工成本。“喷水后,火焰的长度明显缩短。火焰的长度短了,导流槽也就不必挖得那么深了。”姜毅指着电脑上的实验动画对记者说。

凭借这一首创的“向燃气流喷水”方案,姜毅团队征服了总体设计单位。最终,北京理工大学成为新型航天发射场导流槽设计的唯一合作单位,参与了我国新一代运载火箭导流槽理论研究和试验验证项目关键技术攻关。

灵感乍现 双弧形导流设计

“向火喷水”不是创意的全部,长征五号导流槽的双弧形设计也蕴含着姜毅的智慧。而这不是双弧形的第一次亮相……

“向火喷水”不是创意的全部,长征五号导流槽的双弧形设计也蕴含着姜毅的智慧。

要兼容发射各种大推力火箭,这就对海南发射场的导流系统提出了更高的要求。为适应长征五号严苛的发射条件,姜毅团队提出了导流槽出口双弧面设计技术。

长征五号升空的那一刻,巨大的燃气团伏地而起,这便是双弧面的“功劳”。“让高温高速的燃气流贴着地面‘跑’,远离发射装置,降低了它对火箭的影响。”姜毅说。

而这不是双弧形的第一次亮相。早在国庆60周年阅兵式上,一辆防空导弹发射车首次应用了双弧形设计。谈及如何会有这样的奇思妙想,姜毅坦言那是“被逼出来的灵感”。

2003年,两家正在研制导弹发射车的军工企业,同时遇到了难题——导弹发射时产生的巨大冲击力,反作用到发射车上,很可能“导弹飞了,车也跟着飞了”。

临近设计交付期,万般无奈,他们不约而同找到了姜毅。时间紧迫,常规方法无法奏效,只能另辟蹊径。接受任务时,他正坐在从武汉返回北京的火车上,旅途中一路苦思冥想,就在临下车前,脑子突然蹦出了灵感——双弧面。

以往的车载导流器都是平面,反作用力大;而弧面对燃气流扰动小,反作用力小,对车的冲击力也就小,“车就不会飞走了”。

正是这“由平变弧”的创意设计,让导弹发射车减少了40%水平冲击力。

边境线上长大的武器迷

年少时,边境线上的战火纷飞,在姜毅心中打下了深深的烙印。这段经历也彻底改变了姜毅的人生轨迹……

1965年11月,姜毅出生在临近中越交界的云南省开远市。年少时,边境线上的战火纷飞,在姜毅心中打下了深深的烙印。“飞机就从头顶飞过,大炮和坦克就停在眼前。”姜毅回忆道。

“那是我第一次感受到了国防力量的重要。”这段经历也彻底改变了姜毅的人生轨迹。从那以后,姜毅便对飞机、导弹、火箭等产生了浓厚的兴趣,上中学时便成了一个地道的军事迷。

高考时,姜毅的成绩在省内名列前茅,分数上的优势足以让他“横扫”一众名校。但执着于心中的导弹情结,姜毅义无反顾地选择了具有优良传统、以国防科技见长的北京工业学院(北京理工大学前身),把火箭导弹发射技术专业作为第一志愿。

于是,年仅16岁的姜毅从云南考到北京,进入了心仪的专业。然而,大一时的他还是个“爱想家”的少年,思念着万水千山外的家乡。直到大二,在学习了几门专业基础概论课后,“才渐渐有了感觉,入了门儿。”

本科毕业后,姜毅选择在本校读研,就在读研期间,他第一次从书本走向了实打实的发射——1987年,在西昌发射场,参与大推力运载火箭发射工位燃气流理论分析工作。

“当时西昌发射场已经建设完毕,我们主要参与的是工程系数的复核环节。”姜毅说,关于发射的一切以前只是书本上的数字,而直到自己站在巨型的发射台旁,才真切地感受到一个个系数背后所承载的力量。

如今,姜毅则把更多的精力放在了培养学生上。他带了两门本科生的专业课:大四的《燃气射流动力学》、大三的《火箭导弹发射系统概论》。27年的一线教学,他共带出了15名博士,50多名硕士,其中绝大多数工作在航天、国防等部门。


(作者:许 茜)
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