我國自主研制的最大分段式發(fā)動機(jī)試車成功

陳 莎，劉 楊，陳 宏

(中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025)

φ3.2 m三分段大型固體火箭發(fā)動機(jī)是由航天四院自主研制的迄今我國直徑最大、裝藥量最大、工作時間最長的固體分段式助推發(fā)動機(jī)。由分段式燃燒室、固定噴管、點火裝置等組成，主要用于集成驗證3.2 m直徑多分段發(fā)動機(jī)點火-流動匹配性、分段燃燒室密封結(jié)構(gòu)、大尺寸C/C喉襯及噴管擴(kuò)張段分段連接結(jié)構(gòu)等在發(fā)動機(jī)長時間工作過程中的可靠性，于2020年底進(jìn)行地面熱試車并取得圓滿成功(圖1)。

圖1 技術(shù)驗證發(fā)動機(jī)試車照片

航天四院黨委書記任全彬說：“作為“十三五”民用航天技術(shù)預(yù)先研究項目的標(biāo)志性成果，本次試驗的成功，進(jìn)一步驗證了我國大型分段式固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計方案及其關(guān)鍵技術(shù)，為未來大型固體助推發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展積累了經(jīng)驗，有力推動我國航天新一代運(yùn)載火箭能力的提升與拓展。”未來大型分段發(fā)動機(jī)可應(yīng)用于我國大型、重型火箭上，以滿足我國空間裝備、載人登月、深空探索的不同發(fā)展需求。

“固體發(fā)動機(jī)要真正運(yùn)用到宇航運(yùn)載領(lǐng)域，必須具備更大推力”，航天四院大推力固體發(fā)動機(jī)總設(shè)計師王健儒介紹：“分段式固體發(fā)動機(jī)可實現(xiàn)有限直徑內(nèi)大裝藥量、大推力、長時間工作等技術(shù)需求，是運(yùn)載火箭實現(xiàn)起飛時刻大推力的有效途徑。根據(jù)運(yùn)載需求的變化，可以通過模塊化組合裝配，增加或減少中間段數(shù)量，對裝藥量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)不同臺階推力的覆蓋，滿足運(yùn)載火箭不同載荷的需求，同時還可以大幅降低發(fā)動機(jī)研制難度、研制成本及運(yùn)輸難度。”目前，作為實現(xiàn)固體發(fā)動機(jī)大型化的關(guān)鍵技術(shù)，分段對接技術(shù)在國際上被普遍使用[1]。

1 研制大直徑多分段固體發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

多分段固體發(fā)動機(jī)與整體式發(fā)動機(jī)最大的區(qū)別是分段發(fā)動機(jī)燃燒室需要單段絕熱、單段澆注，然后再對接組合成整體燃燒室。為實現(xiàn)分段發(fā)動機(jī)大推力、長時間的工作要求，需要突破大型分段燃燒室的連接密封與長時間熱防護(hù)、多分段發(fā)動機(jī)點火與流動匹配性以及大型噴管長時間工作熱防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。其主要技術(shù)難點包括：

(1)大尺寸U型件加工成型與防變形工藝

φ3.2 m發(fā)動機(jī)殼體U型件整體結(jié)構(gòu)尺寸大，在加工過程中的整體變形也較大，如果不加以控制， U型件將無法進(jìn)行對接，徑向銷釘裝配不上。因此，需要在U型件加工過程中制定科學(xué)的加工工藝，安排合理的時效處理工藝等，確保變形可控。

(2)J型件結(jié)構(gòu)的工藝成型

φ3.2 m分段式固體發(fā)動機(jī)，J型件成型尺寸大，成型難度大，為增加成型可靠性，采用分瓣模壓整體拼接成型的技術(shù)方案。需要解決分瓣J型件固化收縮問題，確保各J型件拼接縫可靠。

(3)NBR與CFBR的復(fù)合絕熱結(jié)構(gòu)

φ3.2 m大型燃燒室后封頭部位由于熔渣沉積、氣流沖刷等燒蝕情況嚴(yán)峻，為確保后封頭絕熱可靠，采用NBR(普通丁腈類絕熱層)和CFBR(碳纖維增強(qiáng)絕熱層)組成的復(fù)合絕熱，NBR用于熱防護(hù)，CFBR用于抗沖刷。因此，需要解決不同材料界面的粘接可靠等技術(shù)。

(4)多分段固體發(fā)動機(jī)流動穩(wěn)定性

多分段發(fā)動機(jī)各段裝藥之間存在端面限燃結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)工作時藥柱燃面退移速率大于限燃層燒蝕消耗速率[2]，限燃層逐漸暴露于流場中可能引起壓強(qiáng)震蕩和渦脫落。因此，燃燒室內(nèi)流動穩(wěn)定性分析是研究重點與難點。

(5)大尺寸喉襯組件C/C材料設(shè)計與成型技術(shù)

φ3.2 m發(fā)動機(jī)噴管喉襯組件整體結(jié)構(gòu)尺寸大，為減小喉襯熱應(yīng)力，解決大厚度致密化難題，需采用分段結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用適應(yīng)大尺寸生產(chǎn)的喉襯新工藝-大尺寸中空編織和針刺新型預(yù)制體的成型工藝。因此，大流量、長時間工作條件下的中空軸向編織和針刺C/C喉襯結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝成型成為研究的難點。

(6)RTM擴(kuò)張段設(shè)計成型與分段連接技術(shù)

RTM是一種酚醛樹脂注射成型工藝，通過RTM注射機(jī)將樹脂注射到纖維預(yù)制體中并固化成型，適用于大尺寸擴(kuò)張段的生產(chǎn)[3]。目前，已試車成功的最大制品尺寸約φ1 m，但φ3.2 m發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)張段出口尺寸達(dá)φ2 m。為便于制造和裝配，φ3.2 m發(fā)動機(jī)將噴管擴(kuò)張段絕熱層及殼體均分為兩段。因此，需解決出口φ2 m的RTM成型技術(shù)及其與基礎(chǔ)段連接密封的可靠性。

(7)分段對接密封質(zhì)量主動檢測方法和評價準(zhǔn)則

分段對接部位的密封質(zhì)量直接關(guān)系著發(fā)動機(jī)工作的成敗，由于分段對接部位基于現(xiàn)有技術(shù)手段無法實現(xiàn)無損檢測，只能通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動式檢測。因此，必須設(shè)計簡單、有效、可行的檢測裝置和建立可靠的檢測方法，同時結(jié)合已經(jīng)完成的氣密試驗等形成密封質(zhì)量的控制準(zhǔn)則。

(8)大型分段式發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)

大型固體助推器發(fā)動機(jī)總裝工藝分為臥式裝配和立式裝配兩種。φ3.2 m技術(shù)驗證發(fā)動機(jī)單段質(zhì)量大，基于現(xiàn)有條件只能采取立式裝配工藝，需要解決立式裝配中發(fā)動機(jī)起吊、平移、下降對中、位置檢測等一些列問題，確保裝配順利。

研究團(tuán)隊經(jīng)過兩年多的技術(shù)攻關(guān)，提出具體的設(shè)計分析方法和工藝保障措施，結(jié)合理論分析和單項工藝試驗、性能測試等手段，逐步突破各項關(guān)鍵技術(shù)和難點，形成一套大型多分段固體發(fā)動機(jī)的設(shè)計理論、工藝方法和研制流程，并通過發(fā)動機(jī)地面熱試車對各項關(guān)鍵技術(shù)的突破情況和主要性能指標(biāo)滿足情況進(jìn)行了全面考核驗證。其主要技術(shù)創(chuàng)新點包括：

(1)分段燃燒室連接密封與長時間熱防護(hù)設(shè)計

設(shè)計了用于φ3 m以上分段殼體“雙U型+錐型銷釘”的輕質(zhì)化連接、階梯狀三道“O型”密封圈對接方案，提出了分瓣模壓成型工藝方法，并采用J型件預(yù)置張角、軸向預(yù)置過盈量，絕熱填塊等技術(shù)措施，系統(tǒng)解決了分段燃燒室的連接密封及加工制造難題，實現(xiàn)了大型發(fā)動機(jī)輕質(zhì)、可靠分段對接，形成了一套大型分段式固體發(fā)動機(jī)燃燒室連接密封、“J”型絕熱對接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和成型方法。采用多層復(fù)合的絕熱結(jié)構(gòu)以及藥柱結(jié)構(gòu)流場一體化仿真分析等措施，解決了大型分段燃燒室長時間絕熱結(jié)構(gòu)可靠工作問題。

(2)發(fā)動機(jī)內(nèi)流場-分段對接結(jié)構(gòu)一體化迭代優(yōu)化設(shè)計

建立了一套適應(yīng)于大型多分段固體發(fā)動機(jī)點火、燃燒過程中流場匹配性的精確預(yù)示方法，通過內(nèi)流場-燃燒室分段對接結(jié)構(gòu)的耦合迭代計算與優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了大直徑多分段發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定點火與流動匹配[4-5]，發(fā)動機(jī)實測內(nèi)彈道曲線與設(shè)計值吻合度較高，為燃燒室分段絕熱對接結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計提供了關(guān)鍵支持。

(3)功能梯度組合式喉襯結(jié)構(gòu)以及RTM擴(kuò)張段分段對接設(shè)計

建立了大型喉襯熱結(jié)構(gòu)可靠性評估方法，采用分段結(jié)構(gòu)，減小了喉襯熱應(yīng)力，解決大厚度致密化難題。首次，采用大尺寸中空編織和針刺新型預(yù)制體的成型工藝，實現(xiàn)了φ1 m以上預(yù)制體研制，解決了長時間工作大型喉襯設(shè)計與成型問題。建立了大型噴管擴(kuò)張段分段結(jié)構(gòu)傳熱精確仿真方法，形成了大型碳纖維針刺縫合預(yù)制體成型工藝方法，完成了出口φ2 m的大型擴(kuò)張段實物研制，解決了長時間工作的大型噴管擴(kuò)張段設(shè)計成型與對接問題。

φ3.2 m三分段發(fā)動機(jī)的研制成功，全面考核了大直徑分段式固體發(fā)動機(jī)的設(shè)計、仿真、材料、制造工藝與試驗等能力。發(fā)動機(jī)直徑3.2 m，裝藥量90 t，真空最大推力260 t、工作時間134 s，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。設(shè)計方法均有自主知識產(chǎn)權(quán)，使我國大型固體發(fā)動機(jī)自主創(chuàng)新的研制能力和水平得到進(jìn)一步提升。

2 先進(jìn)分段式大推力固體發(fā)動機(jī)研究進(jìn)展

一直以來，航天四院立足我國運(yùn)載火箭型譜化發(fā)展需求，按照“直徑由小到大、分段數(shù)由少到多、先單項后集成”的總體思路，集中力量開展分段發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，掌握了分段式固體發(fā)動機(jī)的設(shè)計理論和方法，取得了一系列成果：

2010年4月和2011年7月，航天四院自主研制的φ1 m二分段和φ2 m三分段對接固體助推演示驗證發(fā)動機(jī)地面熱試車相繼取得成功；2016年4月，國內(nèi)首臺φ2 m二分段全尺寸工程樣機(jī)地面熱試車再獲圓滿成功，并應(yīng)用于我國新一代中型運(yùn)載火箭的固體助推器；2016年8月2日，φ3 m二分段大型固體發(fā)動機(jī)地面熱試車圓滿成功。

目前，研究團(tuán)隊正在開展綜合性能達(dá)到世界先進(jìn)水平的500 t整體式和900 t分段式大推力的固體發(fā)動機(jī)研究，全力推進(jìn)固體動力技術(shù)在我國未來新型運(yùn)載火箭中的應(yīng)用，助力中國航天飛向更遙遠(yuǎn)的宇宙星河。