中國運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展歷程及未來展望

李苗苗

63601部隊(duì) 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(shí)力的企業(yè)投身運(yùn)載火箭的研制和試驗(yàn)。我國主要探討載人運(yùn)載火箭發(fā)展特點(diǎn)及趨勢,載人深空探測任務(wù)初步分析及載人運(yùn)載火箭升級需求。我國新型載人運(yùn)載火箭的發(fā)展對新一代載人運(yùn)載火箭提出了一些建議。根據(jù)國內(nèi)外載人運(yùn)載火箭的研制經(jīng)驗(yàn),建議充分利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)和新一代運(yùn)載火箭的技術(shù)成果,全過程貫徹安全設(shè)計(jì)原則,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和開發(fā)模式。

一、中國運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)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(shí)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(hù)中國國家安全和社會主義事業(yè),維護(hù)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(yùn)載火箭,4個(gè)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(jī)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(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,但與世界先進(jìn)水平仍有很大差距。這主要體現(xiàn)在:

發(fā)動機(jī)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(xiàng)目”,再到后來的發(fā)電機(jī)循環(huán)、高壓補(bǔ)燃循環(huán)、全流補(bǔ)燃循環(huán)、膨脹循環(huán)等,這些先進(jìn)的技術(shù)理念是他們走向更強(qiáng)航天事業(yè)的基礎(chǔ)。最近,他們開始研討先進(jìn)的發(fā)動機(jī)解決方案,例如:電力推進(jìn)發(fā)動機(jī)、脈沖爆震發(fā)動機(jī)、核火箭發(fā)動機(jī)和聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機(jī)等。在發(fā)動機(jī)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(shí)鐘、高級渦輪泵、控制器等;在化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑方面,已從常溫II-III型儲存、低溫高性能,到人工改進(jìn)推進(jìn)劑。經(jīng)過一系類的改革與實(shí)驗(yàn),美、俄、法、德等國家的火箭推進(jìn)劑已發(fā)展成為世界最高水平的一流新型的推進(jìn)劑。對比我國火箭發(fā)動機(jī)技術(shù),才開始引進(jìn)新的研究內(nèi)容。一些用于高壓輔助內(nèi)燃機(jī)和電推進(jìn)發(fā)動機(jī)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(jī)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(yùn)載火箭電動機(jī)

1.發(fā)動機(jī)推力脈動載荷的識別

建立了運(yùn)載火箭飛行狀態(tài)的有限元力學(xué)模型。為了簡化計(jì)算,假設(shè)發(fā)動機(jī)的推力脈動只引起運(yùn)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(jī)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(jī)脈動推力尚無理論驗(yàn)證數(shù)據(jù),為了進(jìn)一步通過多自由度模型、少量測點(diǎn)、模態(tài)截?cái)嗟裙こ谭椒?yàn)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(jì)算給定隨機(jī)激勵(lì)下的響應(yīng),然后根據(jù)遙測點(diǎn)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)識別載荷。結(jié)果表明,采用前6個(gè)模態(tài)和5個(gè)測點(diǎn)可以準(zhǔn)確識別激勵(lì)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(jī)推力脈動,使用了在運(yùn)載火箭飛行過程中布置的五個(gè)低頻振動遙測點(diǎn)。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(jìn)行過濾。識別程序使用整個(gè)箭頭的前六個(gè)模態(tài)參數(shù)。在保證有限元前6個(gè)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(lì)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?？?。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(jī)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?；鸺孽r明特征是革命性的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)——第一級使用九臺小型液體推進(jìn)發(fā)動機(jī),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(jī)艙等主要部件均采用3D打印,整個(gè)打印過程僅需24小時(shí)。如果用傳統(tǒng)方法制造燃料和氧化劑,從推進(jìn)劑罐流到燃料和氧化劑泵需要長達(dá)一個(gè)月的時(shí)間。

由時(shí)間電機(jī)驅(qū)動的泵是推進(jìn)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(jìn)行熱交換?；?D打印技術(shù)和電驅(qū)動,“盧瑟福”發(fā)動機(jī)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(jī)

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(jī)可分為三種:第一是電動火箭發(fā)動機(jī)、其次是靜電火箭發(fā)動機(jī),最后是電磁火箭發(fā)動機(jī)。電動火箭發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí))。因?yàn)樗a(chǎn)生的推力小于10牛頓。所以這種發(fā)動機(jī)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(jī)發(fā)展趨勢

我國大推力固體增壓發(fā)動機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)逐步拓寬,研究保障條件不斷完善,研制時(shí)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(jī)已形成了設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)不同系列固體火箭發(fā)動機(jī)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(jī)的研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)?zāi)芰?。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合后續(xù)發(fā)展形勢,到“十二五”時(shí)期,大型固體火箭發(fā)動機(jī)研制能力擁有了500噸推力。我們要發(fā)揮固體發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)技術(shù)取得重大突破,但與國外頂級發(fā)動機(jī)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(jī)主要以四氧化二氮和偏二甲肼燃料為動力原料,發(fā)動機(jī)的最大對地推力一直徘徊在70噸左右。關(guān)于氫氧機(jī),幾乎不能在大液氫溫區(qū)固定制冷機(jī)組,煤油機(jī)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(yùn)載火箭的120噸級高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)技術(shù),其發(fā)射能力有了很大提高?？删驮?016年新箭成功發(fā)射后,真空推力130噸的煤油發(fā)動機(jī)yf-100,與半個(gè)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(jī)yf-77與美國14年前真空推力344噸的rs-68相比,也是一個(gè)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(jī)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(jìn)入新時(shí)期,推進(jìn)軍民兩用是保持固體火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、加快推進(jìn)大型固體火箭發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究的重要途徑。大型固體火箭發(fā)動機(jī)的研制涉及先進(jìn)復(fù)合材料、大型金屬零部件、高性能粘結(jié)材料、地面試驗(yàn)配套設(shè)施等諸多方面。以大型固體火箭發(fā)動機(jī)研究為導(dǎo)向,吸納人才,創(chuàng)新實(shí)踐,促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合,深化推進(jìn)軍民兩用,為實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)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(jī)等關(guān)鍵設(shè)備。因此,要突破大/重型運(yùn)載火箭的核心技術(shù),需要發(fā)展大型固體火箭發(fā)動機(jī),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(jī)研發(fā)過程中存在的困難和阻力,對當(dāng)前主要運(yùn)載火箭所用大型固體火箭發(fā)動機(jī)的基本情況進(jìn)行了簡單的分析闡述,總結(jié)出了大型固體火箭發(fā)動機(jī)研制的核心技術(shù),也對發(fā)展大型固體火箭發(fā)動機(jī)提出了可行性建議。