??中国航天科技集团第六研究院研制新一代大推力火箭发动机纪实
坚定不移谋创新
7月29日，中国航天科技集团公司第六研究院（简称六院），新一代大推力120吨液氧煤油火箭发动机点火热试车再获成功。
这仅是该发动机研制历程中无数次试车成功中的一次，而在业内，此次试车成功却引起了专家学者的高度赞誉。
“这台储存了3年、此前已经历过两次极限工况热试车考验的发动机，在又一次挑战极限考验中表现完美。”中国航天科技集团总经理马兴瑞说。他介绍，两个月前，国防科工局刚刚完成了对该型号发动机的项目验收，标志着我国成为继俄罗斯之后第二个完全掌握液氧煤油高压补燃循环液体火箭发动机核心技术的国家。如今它再次向世人宣告，中国航天动力的新旧更迭已势不可挡，新一代运载火箭发动机的研制成功，将大大加快中国由航天大国迈向航天强国的步伐。
院士的泪
“在新一代运载火箭液氧煤油发动机整机研制初期，失败与挫折是家常便饭。”中国工程院院士、六院科技委主任张贵田如是说。
发展航天，动力先行。从某种程度来说，人类探索太空的能力，取决于航天发动机的推力。以推举神舟九号与天宫一号圆满完成载人交会对接任务的长征二号F火箭为代表的我国现役长征系列运载火箭，虽已取得举世瞩目的成绩，但其推力已经不能满足未来航天技术发展的需求，研制新一代液体火箭发动机显得格外迫切。
现阶段我国使用的发动机单台推力是70吨左右，火箭的运载能力9吨上下。120吨级液氧煤油发动机采用了目前世界上最先进的高压补燃循环系统，其推力比我国现有长征系列运载火箭发动机提高60%以上，运载能力是原来3倍左右，不仅采用的推进剂、循环方式与常规发动机不同，在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上，也比现有发动机高出数倍，在推力吨位、性能方面有大幅度提高。
与常规发动机相比，液氧煤油发动机还具备诸多的优点：一是推力大；二是没有污染，液氧和煤油都是环保燃料，而且易于存贮和运输；三是经济，比常规发动机推进剂便宜60%；四是可靠性高；五是可重复使用。
然而，该发动机的研制历程则充满了艰辛。对1999年发生的那次意外，张贵田印象尤为深刻。
1999年，为进一步验证各组合件的可靠性和准确性，在把工况提高到100吨的状态下，六院于7月组织了组合件联动试验。结果试验发生了燃烧现象，这为科研人员的心中压上了一块巨石。
晚饭时，航天老专家钱维松劝张贵田：“试验有成有败，不要太难过。”话音刚落，张贵田的眼泪夺眶而出。
液氧煤油发动机不仅采用的推进剂、循环方式与过去常规发动机不同，而且在推力吨位、性能、可靠性方面比现有发动机有大幅度提高，这就意味着发动机及各部件在比现有发动机更恶劣的条件下工作。这不仅加大了发动机的设计难度，而且对加工、试验设备以及材料、工艺等提出了更高要求。
对于液体火箭发动机来说，启动和关机是最复杂、最难设计的动态过程，尤其是启动过程，在零点几秒内，发动机的转动件要从不转动加速到每秒几万转的高转速，燃烧组件要从环境温度达到三四千摄氏度的高温，启动过程的每个指令都必须精确到百分之几秒，甚至千分之几秒。任何一个环节设计不好，都可能导致故障甚至爆炸。
几次整机试车失败后，外界出现了质疑声，这使设计人员的压力越来越大，甚至在睡梦中都常常梦到试车失败的冲天火光和滚滚浓烟。
为了找到问题的根源，科研人员放弃了休息日，一心扑在工作上，千方百计收集资料，绞尽脑汁寻找故障的症结，利用仿真技术模拟启动失败和爆炸的过程……经过近半年紧张激烈的艰苦攻关，他们终于摸清了试车失败的根源和机理，最终选定了最理想的启动方案和启动程序。
“六院人的性格如同他们所研制的发动机，意志坚如钢，心中一团火，倾力铸神箭，勇为先行官，朴实又沉稳，甘当铺路石。”六院党委书记黄亮表示，在新一代火箭发动机研制过程中，六院人所表现出的敢打敢拼、不屈不挠和先行一步、领先一路的品格，正是发动机人格化的体现。
三大难关
凭着锲而不舍、百折不挠的精神，六院研制人员闯过了一道道技术难关，使发动机连闯涡轮泵联动试验、半系统试验、整机试验三大难关，成功实现整机600秒长程试验。
由于液氧煤油发动机为高压补燃循环系统，涡轮泵转速高、压力高、功率大，巨大的振动引起产品结构破坏，不能进行长时间与高工况的试车。“减振”便成为整机研制过程中又一个大问题。
科研人员开展了涡轮泵减振攻关，分析了参与试车的涡轮泵所有数据，特别是高速转子的轴向和径向位移、振动、压力脉动数据。弄清楚了高速转子的动特性、振型和引起振动的主要因素，并加班加点设计生产了高速转子动力学实验装置。
高速转子动力学实验在该研究院还是首次进行，无任何经验借鉴，技术人员边设计边生产，将近200公斤重的实验装置运到1月最冷的哈尔滨，并自己带上百公斤重的实验用所有装配、实验工装设备。
实验期间，科研人员不顾零下20摄氏度的严寒，每天从清早开始，一直工作到晚上10点，在两个星期内进行了23种状态的涡轮泵转子动力学实验，找到了影响涡轮泵转子动特性的主要因素。随后根据实验结果确定了对涡轮泵进行改进的措施，并在后续的发动机试车中逐步实施。改进后的涡轮泵振动减小，一次装配能连续进行5次试车，一次试车时间能达到发动机额定工作时间的3倍，终于满足了发动机的要求。
推力室是整机中最大、结构最为复杂的一个组合件，也是整机研制的关键。由于推力室制造工艺难度较大，为解决这些技术难题，六院组成了工艺、设计、试验以及技术管理人员联合组成的推力室攻关小组。
攻关小组针对涡轮泵联试中暴露出的问题，进行了新一回合的涡轮泵、阀门等组合件设计工艺改进研究工作。对喷嘴加工、厚壁变截面管成形、内壁螺旋铣槽、头部钎焊、收扩段胀型等关键工艺技术进行攻关。在研制人员的不懈努力下，经过多个方案多个回合的研制攻关后，终于完成了推力室生产。
在国外航天专家眼里，建设一座数百吨推力规模的发动机试车台，从主体奠基到正式试验投产，至少要用3年时间，而六院人仅用了一年半。经过考台试车和正式试车的验证，这座亚洲第一试车台的总体设计、技术、设备等指标均达到了国内外先进水平。
2006年7月3日下午，秦岭深处，漫山碧透，试车台畔，溪水潺潺。随着震耳欲聋的巨响，试车开始。只见导流槽流水哗哗，富氧燃气弥漫山谷。600秒的时间，此刻显得格外漫长。最终，液氧煤油发动机首次长程试车获得成功。
让中国航天走得更远
“自2000年国家正式立项进入工程研制的12年间，液氧煤油发动机已先后进行了百余次试车。”著名火箭发动机专家、六院院长谭永华说，“这当中，有饱尝失败的痛苦，但更多的是失败之后，六院人自主创新的步履更加坚实，攻坚克难的步伐更加加快。”
六院人在收获新一代大推力火箭发动机研制成功喜悦的同时，更成就了中国航天的新高度。12年来，六院科研人员迎难而上，从对高压补燃循环发动机的一知半解，到突破80余项关键和核心技术，先后研制出3种基本型发动机，以及5种适应不同火箭总体的飞行状态发动机。目前，所有飞行状态发动机均已完成考核任务，开始交付火箭总体进行相关试验。届时，中国人的太空之路将会走得更远。
与此同时，新一代大推力火箭发动机的研制，直接带动了相关产业的发展。谭永华介绍，在六院新一代大推力液氧煤油发动机研制中，为了解决高低温、高压、强氧化、高转速、大功率等问题，六院与相关单位一起研制开发了近50种新材料，包括高强度耐氧化的不锈钢、高温合金、纳米涂层、镀层、橡胶等。在新工艺方面，通过技术攻关突破了30多项关键工艺，其中多项技术达到国内甚至国际领先水平。这些新材料、新工艺一经问世，就受到其他行业的关注和应用，促进了相关产业的发展。
“发动机技术的一项项突破，不仅直接引领了航天事业的发展，还为国民经济和普通百姓日常生活水平的提高注入了新的科技力量。”谭永华说。（记者付毅飞）
《科技日报》（-7-30一版）
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