央廣網(wǎng)西安11月4日消息（記者劉濤 通訊員張美書(shū)）我國(guó)目前最大的運(yùn)載火箭——長(zhǎng)征五號(hào)新一代運(yùn)載火箭昨天（3日）順利首飛，中國(guó)航天科技集團(tuán)第六研究院為該火箭提供了芯一級(jí)、二級(jí)、助推、輔助動(dòng)力系統(tǒng)等發(fā)動(dòng)機(jī)，擔(dān)負(fù)起長(zhǎng)征五號(hào)飛行試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力保障任務(wù)，提供的總推力達(dá)到了1078噸。
其中，新研制的50噸級(jí)和9噸級(jí)的兩個(gè)型號(hào)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，作為長(zhǎng)五火箭一、二級(jí)芯級(jí)主動(dòng)力，是首次承擔(dān)飛行試驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)跨越。
一級(jí)主動(dòng)力：50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)
50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)首臺(tái)大推力、高性能、地面起動(dòng)直接入軌的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，由兩臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)通過(guò)機(jī)架并聯(lián)構(gòu)成，地面推力達(dá)100 噸。采用燃?xì)獍l(fā)生器動(dòng)力循環(huán)，地面一次啟動(dòng)，具有混合比調(diào)節(jié)能力，可雙向搖擺。由航天科技集團(tuán)六院自主研制，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、100%國(guó)產(chǎn)化，綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。它的研制成功，填補(bǔ)了我國(guó)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)空白，使我國(guó)液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺(tái)階。
50噸氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氫、液氧作為推進(jìn)劑，燃燒產(chǎn)物為潔凈度達(dá)99.99%的純凈水，具有綠色、環(huán)保、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，是世界上排放種類(lèi)最少、最綠色環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭也被成為“綠色火箭”。氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒產(chǎn)物清潔，燃燒穩(wěn)定，工作振動(dòng)量級(jí)小，可多次啟動(dòng)等突出優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今世界航天運(yùn)載器不可替代的動(dòng)力裝置，是火箭先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。
長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載能力的大幅提升也得益于發(fā)動(dòng)機(jī)采用氫氧推進(jìn)劑的高能效。液氫是火箭化學(xué)推進(jìn)劑中能量最高的燃料，氫和氧燃燒所能獲得的高空比沖最高能夠達(dá)到465秒，比現(xiàn)有常規(guī)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高約50%，是當(dāng)前已知推進(jìn)效率最高的化學(xué)推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。氫氧推進(jìn)劑的高能效、產(chǎn)生推力所需燃料少的特性，使火箭運(yùn)載的推進(jìn)劑重量大幅減少，對(duì)于提高火箭的運(yùn)載能力具有至關(guān)重要的作用，也是長(zhǎng)征五號(hào)大型火箭采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為芯級(jí)動(dòng)力的主要原因之一。
與現(xiàn)役上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)相比，50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力是其9倍，推力室室壓是其2.7倍，氫渦輪泵功率是其15倍，氧渦輪泵功率是其20倍。長(zhǎng)征五號(hào)火箭的運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)了大幅躍升，從低軌道運(yùn)載能力不到9噸提到到25噸，成為我國(guó)火箭家族成員中當(dāng)之無(wú)愧的“大哥”。
50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上溫度最低的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的液氫、液氧推進(jìn)劑溫度分別為零下253度、零下180度，發(fā)動(dòng)機(jī)工作前要利用液氫和液氧將發(fā)動(dòng)機(jī)各類(lèi)部件的結(jié)構(gòu)溫度預(yù)冷至大約零下180度或零下250度，保證液氧和液氫在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定輸送。低溫條件下要保證發(fā)動(dòng)機(jī)各部件按照精準(zhǔn)的時(shí)序可靠動(dòng)作，需要解決大量的關(guān)鍵技術(shù)，采用特制的低溫合金材料，開(kāi)展特定的低溫處理及試驗(yàn)測(cè)試，這些都加大了低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度。
50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)超低溫、高溫、高壓等苛刻工況條件下工作的，工作環(huán)境惡劣，零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大量采用了高溫合金、低溫鈦合金等新材料。通過(guò)一系列設(shè)計(jì)和工藝攻關(guān)，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局和管路設(shè)計(jì)難題，減小了流阻損失，突破了高壓、大熱流推力室熱防護(hù)技術(shù)，高性能穩(wěn)定燃燒氫氧噴注器技術(shù)等10大類(lèi)共43項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的突破，將在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，發(fā)揮重大牽引作用。
二級(jí)主動(dòng)力：9噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)
作為芯二級(jí)主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，9噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)系統(tǒng)，且可以通過(guò)多次啟動(dòng)，助推火箭進(jìn)入地球轉(zhuǎn)移軌道。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間近800秒，是國(guó)內(nèi)工作時(shí)間最長(zhǎng)的火箭主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)跨越。
此次參與首飛的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，區(qū)別于傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，不存在燃?xì)獍l(fā)生器以及預(yù)燃系統(tǒng)等，避免渦輪燒蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)固有可靠性高，并容易實(shí)現(xiàn)推力和混合比的調(diào)節(jié)，使用靈活。在工作過(guò)程中，其全部推進(jìn)劑都能無(wú)損失地燃燒產(chǎn)生推力，性能高，也因此被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為“最優(yōu)動(dòng)力循環(huán)”。
發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過(guò)程中，突破了超高轉(zhuǎn)速氫渦輪泵技術(shù)、主動(dòng)引射高空模擬試車(chē)技術(shù)等為代表的一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)成果。
膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵的額定轉(zhuǎn)速高達(dá)65000轉(zhuǎn)/分，是我國(guó)目前轉(zhuǎn)速最高的氫渦輪泵。在超高轉(zhuǎn)速氫渦輪泵的研制過(guò)程中先后攻克了超高速小通徑多級(jí)氫泵技術(shù)、高效率反力式渦輪技術(shù)、超高速氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、小通徑鈦合金構(gòu)件精密鑄造和粉末冶金成型技術(shù)、以及超高速高DN值超低溫軸承技術(shù)等。
對(duì)于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，工作在高空環(huán)境中，在地面試驗(yàn)時(shí)必須創(chuàng)造一個(gè)近似高空條件的環(huán)境，使發(fā)動(dòng)機(jī)在這個(gè)環(huán)境中工作，從而進(jìn)行其性能、起動(dòng)特性等各種試驗(yàn)，被稱(chēng)為高空模擬試驗(yàn)。膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為貯箱壓力下自身起動(dòng)，通過(guò)建立主動(dòng)引射系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、起動(dòng)段及主級(jí)段進(jìn)行主動(dòng)引射。主動(dòng)引射系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首次研發(fā)的大功率引射系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)的試驗(yàn)技術(shù)水平和能力上了一個(gè)臺(tái)階。
膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)從2003年開(kāi)啟預(yù)先研究，2006年進(jìn)入正式研制階段,2015年完成全部研制工作，2016年即將首飛。12年磨一劍，發(fā)動(dòng)機(jī)成功首飛標(biāo)志著我國(guó)已全面掌握了高性能氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，有力提升了我國(guó)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)?zāi)芰?，帶?dòng)了我國(guó)材料工藝、發(fā)動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)等方面的發(fā)展，為后續(xù)研制更大推力和更高性能膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
