中國運載火箭發(fā)動機發(fā)展歷程及未來展望

李苗苗

63601部隊 甘肅 酒泉 732750

引言

近年來,隨著火箭技術(shù)的廣泛應(yīng)用,不少有實力的企業(yè)投身運載火箭的研制和試驗。我國主要探討載人運載火箭發(fā)展特點及趨勢,載人深空探測任務(wù)初步分析及載人運載火箭升級需求。我國新型載人運載火箭的發(fā)展對新一代載人運載火箭提出了一些建議。根據(jù)國內(nèi)外載人運載火箭的研制經(jīng)驗,建議充分利用現(xiàn)有發(fā)動機和新一代運載火箭的技術(shù)成果,全過程貫徹安全設(shè)計原則,采用先進的設(shè)計理念、設(shè)計方法和開發(fā)模式。

一、中國運載火箭發(fā)動機開發(fā)中存在的問題

上世紀(jì)六十年代,國際環(huán)境發(fā)生巨變,中國“腹背受敵”,內(nèi)憂外患。社會主義建設(shè)事業(yè)面臨史無前例的巨大挑戰(zhàn),國家安全也受到重大威脅。新中國成立僅有十年左右額時間,我們的工業(yè)基礎(chǔ)依然薄弱,技術(shù)水平嚴(yán)重落后,黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人在經(jīng)過深思熟慮后做出重大決策——集中力量發(fā)展核工業(yè),打破前蘇聯(lián)和美國的核威脅,保護中國國家安全和社會主義事業(yè),維護中國人民利益。從此,中國開始了艱難的“兩彈事業(yè)”。國內(nèi)外科學(xué)家響應(yīng)國家號召,積極回國獻(xiàn)身中國國防事業(yè)和航天事業(yè)。在人才回歸的基礎(chǔ)上,我國的航天事業(yè)逐步建立起來。40年來,我國自主研制了長征系列運載火箭,4個系列12型,發(fā)射了多種國產(chǎn)衛(wèi)星,建造載人飛船“神舟”號。中國火箭發(fā)動機的發(fā)展為我國國防現(xiàn)代化和航天工業(yè)現(xiàn)代化做出了巨大貢獻(xiàn)。雖然中國的火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展迅速,但與世界先進水平仍有很大差距。這主要體現(xiàn)在:

發(fā)動機研發(fā)創(chuàng)新能力不足。在航天工業(yè)領(lǐng)域,美俄兩國處于世界領(lǐng)先水平,從開始提出的化學(xué)動力循環(huán)和“項目”,再到后來的發(fā)電機循環(huán)、高壓補燃循環(huán)、全流補燃循環(huán)、膨脹循環(huán)等,這些先進的技術(shù)理念是他們走向更強航天事業(yè)的基礎(chǔ)。最近,他們開始研討先進的發(fā)動機解決方案,例如:電力推進發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機、核火箭發(fā)動機和聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機等。在發(fā)動機關(guān)鍵部件的研究中,他們相繼研發(fā)了新型高效噴油器、高效時鐘、高級渦輪泵、控制器等;在化學(xué)火箭發(fā)動機推進劑方面,已從常溫II-III型儲存、低溫高性能,到人工改進推進劑。經(jīng)過一系類的改革與實驗,美、俄、法、德等國家的火箭推進劑已發(fā)展成為世界最高水平的一流新型的推進劑。對比我國火箭發(fā)動機技術(shù),才開始引進新的研究內(nèi)容。一些用于高壓輔助內(nèi)燃機和電推進發(fā)動機研制的關(guān)鍵技術(shù)基本都是國外采用的成熟技術(shù),在發(fā)動機技術(shù)上一直處于被動地位,可以說是一直是跟著別人的步伐走。

二、中國運載火箭電動機

1.發(fā)動機推力脈動載荷的識別

建立了運載火箭飛行狀態(tài)的有限元力學(xué)模型。為了簡化計算,假設(shè)發(fā)動機的推力脈動只引起運載火箭結(jié)構(gòu)推力方向的響應(yīng)(即不考慮火箭體的橫向響應(yīng))。為了減少空氣動力學(xué)和噪聲對識別精度的影響,火箭機身模型選擇的第二狀態(tài)接近火箭第一級的末端(更高的飛行高度)。由于所識別的發(fā)動機脈動推力尚無理論驗證數(shù)據(jù),為了進一步通過多自由度模型、少量測點、模態(tài)截斷等工程方法驗證載荷識別的準(zhǔn)確性,本文論文首先使用NASTRAN有限元程序和全火箭有限元模型計算給定隨機激勵下的響應(yīng),然后根據(jù)遙測點對應(yīng)節(jié)點的響應(yīng)識別載荷。結(jié)果表明,采用前6個模態(tài)和5個測點可以準(zhǔn)確識別激勵載荷,但模態(tài)截止頻率應(yīng)大于外力頻率的1.25倍。為了識別發(fā)動機推力脈動,使用了在運載火箭飛行過程中布置的五個低頻振動遙測點。由于傳感器的低頻響應(yīng)特性和高頻噪聲干擾,在識別負(fù)載之前對測量數(shù)據(jù)進行過濾。識別程序使用整個箭頭的前六個模態(tài)參數(shù)。在保證有限元前6個模態(tài)參數(shù)精度的情況下,可以保證模態(tài)截止頻率內(nèi)激勵載荷分布的識別精度。

2.引擎3D打印技術(shù)

三維打印技術(shù)是近年來新起的一種新興的制造技術(shù),它的發(fā)展非常快。是使用粉末金屬或塑料等可粘合材料,逐層印刷構(gòu)建物體。而火箭電動機則是基于碳復(fù)合材料。主要用于向國際空間站發(fā)射有效載荷。但它的發(fā)射成本很高,大概在490萬美元左右。火箭的鮮明特征是革命性的發(fā)動機設(shè)計——第一級使用九臺小型液體推進發(fā)動機,第二級和第一級使用相同。它們也都采用3D打印技術(shù)。閥門、噴油器、泵和發(fā)動機艙等主要部件均采用3D打印,整個打印過程僅需24小時。如果用傳統(tǒng)方法制造燃料和氧化劑,從推進劑罐流到燃料和氧化劑泵需要長達(dá)一個月的時間。

由時間電機驅(qū)動的泵是推進劑的助推器。不同的是,在到達(dá)燃燒室之前,它首先通過車身冷卻通道進行熱交換。基于3D打印技術(shù)和電驅(qū)動,“盧瑟福”發(fā)動機的效率可達(dá)95%,符合航空航天未來低成本、高成本、可靠、快速響應(yīng)的發(fā)展方向。

3.電動火箭發(fā)動機

人們根據(jù)工作介質(zhì)的加速方式不同,將電動火箭發(fā)動機可分為三種:第一是電動火箭發(fā)動機、其次是靜電火箭發(fā)動機,最后是電磁火箭發(fā)動機。電動火箭發(fā)動機的工作原理是通過電能加熱(電阻加熱或電弧加熱)工質(zhì)(氫、胺、肼等)使其氣化,然后噴管膨脹加速后從噴管排出,最終產(chǎn)生推力。靜電火箭發(fā)動機的工作原理是把工作介質(zhì)(汞、銫、氫等)從儲罐輸入電離室,使其電離產(chǎn)生離子,在電極的作用下加速成高速離子流靜電場產(chǎn)生推力。電磁火箭發(fā)動機工作原理是利用電磁場加速電離工作介質(zhì)產(chǎn)生射流并形成推力。在這三者中,電動火箭發(fā)動機具有很高的比沖(700～2500秒),且使用壽命長(可重啟數(shù)萬次,工作數(shù)萬小時)。因為它產(chǎn)生的推力小于10牛頓。所以這種發(fā)動機只適用于航天器的姿態(tài)控制和位置保持。

三、我國大推力固體火箭發(fā)動機發(fā)展趨勢

我國大推力固體增壓發(fā)動機的技術(shù)基礎(chǔ)逐步拓寬,研究保障條件不斷完善,研制時間趨于成熟。經(jīng)過多年的發(fā)展建設(shè),我國固體火箭發(fā)動機已形成了設(shè)計、研制、生產(chǎn)和試驗不同系列固體火箭發(fā)動機的能力。從研制能力來看,我國目前已經(jīng)具備了直徑2.25米、裝藥100噸以下大型固體發(fā)動機的研制、生產(chǎn)和試驗?zāi)芰ΑＴ诖嘶A(chǔ)上,結(jié)合后續(xù)發(fā)展形勢,到“十二五”時期,大型固體火箭發(fā)動機研制能力擁有了500噸推力。我們要發(fā)揮固體發(fā)動機技術(shù)傳承優(yōu)勢,依靠現(xiàn)有條件基礎(chǔ),研制千噸級大型固體助推器。突破重大技術(shù)瓶頸。在研制過程中產(chǎn)生的的主要問題是不具備建立大型固體發(fā)動機研制的配套條件,但我國有相關(guān)的生產(chǎn)基礎(chǔ)。我國大推力火箭發(fā)動機技術(shù)取得重大突破,但與國外頂級發(fā)動機相比仍有較大差距。

1990年以后,我國航天事業(yè)的主攻方向集中在載人航天(神舟、天宮系列)領(lǐng)域。長期以來,液體火箭發(fā)動機主要以四氧化二氮和偏二甲肼燃料為動力原料,發(fā)動機的最大對地推力一直徘徊在70噸左右。關(guān)于氫氧機,幾乎不能在大液氫溫區(qū)固定制冷機組,煤油機幾十年來也一直沒有產(chǎn)生新火箭的模型。因此,我們和美國、俄羅斯的差距依然很大,是日本和歐洲的100噸產(chǎn)品。盡管我國掌握了新一代運載火箭的120噸級高壓補燃液氧煤油發(fā)動機技術(shù),其發(fā)射能力有了很大提高。可就在2016年新箭成功發(fā)射后,真空推力130噸的煤油發(fā)動機yf-100,與半個世紀(jì)前的美國690噸的F1和800噸的rd170相比,還有很大差距。在近30

年前的蘇聯(lián)面前;真空推力70噸的氫氧機yf-77與美國14年前真空推力344噸的rs-68相比,也是一個巨大的差距。根據(jù)我國航天事業(yè)的發(fā)展需要,對大推力固體火箭發(fā)動機的發(fā)展提出以下建議。構(gòu)建聯(lián)合創(chuàng)新主體,加快關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。進入新時期,推進軍民兩用是保持固體火箭發(fā)動機產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、加快推進大型固體火箭發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究的重要途徑。大型固體火箭發(fā)動機的研制涉及先進復(fù)合材料、大型金屬零部件、高性能粘結(jié)材料、地面試驗配套設(shè)施等諸多方面。以大型固體火箭發(fā)動機研究為導(dǎo)向,吸納人才,創(chuàng)新實踐,促進產(chǎn)學(xué)研深度融合,深化推進軍民兩用,為實現(xiàn)航天強國提供有力支撐。

結(jié)語

航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開發(fā)動機等關(guān)鍵設(shè)備。因此,要突破大/重型運載火箭的核心技術(shù),需要發(fā)展大型固體火箭發(fā)動機,這是目前躋身航天事業(yè)前沿的重要途徑。本文主要分析了在發(fā)動機研發(fā)過程中存在的困難和阻力,對當(dāng)前主要運載火箭所用大型固體火箭發(fā)動機的基本情況進行了簡單的分析闡述,總結(jié)出了大型固體火箭發(fā)動機研制的核心技術(shù),也對發(fā)展大型固體火箭發(fā)動機提出了可行性建議。