我國120噸級液氧煤油發動機將裝備新一代長征火箭
2012-07-25
3萬余秒熱試車70余項技術創新
“120噸級液氧煤油發動機的研制成功，是中國航天動力發展過程中的里程碑。”這是國家國防科工局副局長胡亞楓對我國新一代運載火箭發動機做出的評價。
5月底，該發動機項目研制通過國家國防科工局驗收。此項目由中國航天科技集團公司第六研究院（以下簡稱六院）承擔。自2000年9月立項，六院累計實施熱試車3萬余秒，突破了70余項關鍵技術，使我國繼俄羅斯之后成為第二個掌握液氧煤油高壓補燃循環液體火箭發動機核心技術的國家。
六院院長譚永華介紹，該發動機將作為我國新一代運載火箭的動力系統，裝備長征五號、六號、七號運載火箭，為載人航天、月球探測等國家重大專項任務提供動力保障。
推動我國運載火箭性能不斷提升
“120噸級液氧煤油發動機是為我國新一代運載火箭系統研制的無毒、無污染、高性能、高可靠的基本動力裝置。”承擔該發動機研究設計任務的六院十一所所長李斌介紹說，該發動機為補燃循環泵壓式的單推力室液體火箭發動機，推進劑為液氧和煤油，可由單向搖擺基本型衍生出雙向搖擺發動機和固定發動機，發動機共三種狀態單機，可通過三種狀態發動機組合使用的模式，裝備新一代運載火箭。
長期以來，我國長征系列運載火箭雖然采用了一些小型液氫/液氧發動機，主推進器大量采用的是由四氧化二氮和偏二甲肼作為推進劑。盡管此類發動機技術成熟度高，但受發動機推力難有更大發展制約、限制了運載火箭性能的進一步提升，同時以上兩種推進劑組合也具有一定的毒性和腐蝕性。
相比之下，液氧煤油發動機推進劑組合綠色環保優點突出，補燃循環系統方案具有燃燒等綜合效能高的優勢，發動機本身還具備易于控制混合比、工況可調節、輔助功能全、安全度高等優點。同時，由于預壓渦輪泵的使用，推進劑儲箱的質量也大為減輕。為滿足性能、功能要求，對渦輪泵等主要組件的設計指標要求極高，設計和研制難度很大。
由于綜合效能高、方便操控、推進劑價格低廉等特點，液氧煤油發動機一直被各國用于運載火箭等各種推進器，是進行商用發射的良好動力裝置。世界各國都利用液氧煤油發動機生產了大量運載火箭用于各種發射任務。1957年，前蘇聯發射世界上第一顆人造衛星時使用的R-7型運載火箭，以及近年俄羅斯發射的聯盟號飛船所用的火箭，其發動機都是液氧煤油發動機。美國也很早運用了液氧煤油發動機，曾運載阿波羅系列登月飛船的“土星五號”巨型運載火箭的第一級便是采用了5臺F-1型液氧煤油發動機。
與目前美國670噸推力的F-1型發動機、俄羅斯740噸推力的RD-170型發動機相比，我國120噸級液氧煤油發動機在推力方面尚有較大差距。然而我國液氧煤油發動機在整體技術上較為先進，其綜合效能高于F-1型發動機、與RD-170型發動機相當，且在其基礎上還能拓展研發出推力超過300噸甚至660噸級別的更大推力的液體火箭發動機。這將可以逐漸扭轉我國運載火箭性能現狀，推動我國運載火箭性能不斷提升。
實現我國液體推進技術重大跨越
120噸級液氧煤油發動機項目經過近12年研究，取得了多項成果，填補了我國高壓補燃循環發動機技術空白，實現了液體推進技術的重大跨越。
李斌表示，該發動機是我國首個采用補燃循環、自身起動、變工況調節技術的液體火箭發動機，其研制道路困難重重。在上級單位正確決策和領導下，十一所和院內兄弟單位組成的研制團隊通過艱苦攻關，完成了方案論證、方案設計、試驗驗證、改進完善、飛行狀態驗證的研制全流程，以熱試車作為考核手段確定了發動機設計狀態技術基線，并有效解決其各項關鍵技術。
針對長征五號、六號、七號運載火箭的飛行使用要求，研制團隊按照系列化、模塊化設計指導思想，采用基本型發動機進行組合、開展了多種飛行狀態發動機研制。
在專項研制階段，通過大量仿真和模擬試驗技術研究，自主開發了一批工程仿真軟件，掌握了核心組件動力學模擬試驗方法及模擬準則。同時對項目研制所涉及的設計、生產、試驗和試車考核所需的保障條件進行大量投入，不斷建立健全整個研制體系。
此外，通過該項目的研究，還促使我國掌握了液氧煤油高壓補燃循環發動機的研制規律，掌握了一批高性能新材料的應用技術，培養了一批設計、工藝、試驗和管理人員隊伍。該項目已獲得近20項國防科技成果及相關專利授權。（付毅飛）
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