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500個大氣壓
可把黃浦江水打到青藏高原
液氧煤油發動機的渦輪泵,產生的最高壓強可達到500個大氣壓,相當於能夠把上海黃浦江水,打到5000米海拔的青藏高原。
-183℃
價格低且環保節約上千萬元
液氧煤油發動機的推進劑是-183℃的液態氧氣和常溫煤油,二者燃燒後主要產生水和二氧化碳,清潔環保,而且價格低廉,每次發射推進劑費用比現役火箭節約上千萬元。
1.5倍
補燃循環技術高效利用燃料
液氧煤油發動機採用的補燃循環技術,是一種閉式循環,可以使全部推進劑的能量得到充分釋放,至少提升10%的能量利用率,使發動機的運載能力提高到常規的1.5倍。
6月25日,中國新一代中型運載火箭長征七號在海南文昌發射場首飛成功,拉開我國載人航天工程空間實驗室任務序幕,這是目前我國發射的推力最大的運載火箭。預計到2021年左右,長征七號運載火箭各項技術指標趨於穩定時,將承擔我國80%左右的航天發射任務,並將用於發射載人飛船。
長征七號有一顆強勁的心臟——我國目前最先進的液氧煤油發動機。近日,成都商報記者專程趕赴西安,走進研製該發動機的中國航天科技集團第六研究院,爲您揭祕這顆強勁的心臟。
調節推力降低體能要求
液氧煤油發動機專家、航天科技集團六院副院長欒希亭介紹,長征七號使用了6臺120噸液氧煤油發動機。具備近地軌道13.5噸的運載能力,是現役火箭的1.5倍。與常規發動機相比,液氧煤油發動機具備四大特點:
一是技術先進。採用了世界上最先進的高壓補燃循環系統,提高了發動機的性能。
二是綠色環保。氧和煤油燃燒後主要產生水和二氧化碳,清潔環保,價格比較低廉。常規推進劑有毒,且具有腐蝕性。每次發射,推進劑費用比現役火箭節約上千萬元。
三是重複試車。因爲推進劑的腐蝕性等原因,常規發動機只要一試車就報廢。液氧煤油發動機在地面可重複試車,重複點火。大大提高了火箭飛行的可靠性及性能。
四是精準可調。調節精度更高,如同自動擋的汽車,可以實現無級變速。
據瞭解,發動機通過推力調節,可以有效降低火箭飛行中的加速度,提高航天員的舒適度,降低對航天員的體能要求。未來,普通百姓也許不用經過複雜嚴苛的體能訓練,也有望“舒舒服服”地遨遊太空。
研製渦輪泵驗證試驗上千次
研製液氧煤油發動機最大的難點在於閉式循環系統。航天六院11所液氧煤油發動機研究室主任徐浩海解釋,由於是閉式循環,發動機燃燒室的室壓特別高,比常規發動機提高了100個大氣壓;高壓補燃主要是通過渦輪泵的旋轉增壓,渦輪泵的揚程最高達500個大氣壓,“相當於能把黃浦江的水打到青藏高原”。
渦輪泵需要的工作時長是數百秒,但第一臺渦輪泵首次試車僅運轉了不到20秒。經過7次重大故障,驗證試驗上千次,直到第8年才達到設計目標——渦輪泵持續工作數千秒,是實際工作時長的10倍。
航天六院7103廠副總工程師張和平介紹,液氧煤油發動機推力大、轉速高,所以必須有高強度的結構。以發動機的推力室爲例,數千度的高溫燃氣,必須保證不破壞推力室結構。所以他們使用了高溫合金、高強度不鏽鋼、納米塗層等近50種新材料。
單機試車相當於2.8級地震
液氧煤油發動機的試驗區位於秦嶺山區,擁有亞洲最大的火箭發動機試車臺。航天六院165所液氧煤油試驗區試車指揮員張志濤介紹,試驗區相當於一個小型火箭發射場。“發動機所有在火箭上的運轉過程都能在試車臺上重現,唯一的不同是火箭能夠升空,而試驗時的發動機是被定架約束在試車臺上。”
“一個單機發動機在山坳裏試車,產生的振動相當於2.8級地震。”張志濤說,“發動機點火時的轟鳴聲,相當於十萬人同時在吼。”試車臺最多能實現兩臺120噸發動機並聯試驗,測量發動機是否能夠同時平穩點火啓動。“任何兩個發動機的推力都不可能一模一樣,如果推力相差稍微大一點,火箭升空時直接就會歪掉,那麼設計時就要考慮如何平衡推力。”試車臺還可以試驗發動機在極限環境下能夠承受的苛刻條件,判斷其是否還能夠穩定工作。
首次爆炸燒穿十幾毫米厚鋼板
“那幾年連續發生了好幾次爆炸。”徐浩海還記得,第一次發動機試車,從啓動到爆炸不到3秒鐘。“按下開關的瞬間,眼前已是一通火光,十幾毫米厚的鋼板立馬就被燒穿。”因爲加工困難,花了整整一年,第一臺產品就像獨生子,做得跟工藝品一樣。爆炸後大家心情非常沉重。
2001年,液氧煤油發動機進行了4次整機試車,4次都失敗。“一秒鐘就燒掉數百公斤推進劑,一次試車成本上千萬元。”欒希亭回憶,每當試車點火倒計時,手心裏都是一把汗,甚至有的人在試車頭一晚睡不着覺。
“發動機一出問題,爆炸了就啥都沒了。”徐浩海和同事們只能從爆炸碎片中分析故障。有個閥門問題的實驗,他們連續做了100多次,白天做實驗,晚上就分析數據、裝配產品,七天七夜;最長的一次,約300人在廠裏住了整整3個月。