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我国航天动力跨入绿色无毒时代

时间:2015-09-21  来源:科技日报   发布:高端装备网 

——460吨推力液氧煤油发动机正在研制中

 

  随着长征六号运载火箭一飞冲天,我国航天动力不仅进入了绿色无毒时代,同时也迈上了新高度。

 

  长征六号火箭的动力系统,使用的是中国航天科技集团六院研制的两型液氧煤油发动机,火箭一级采用一台120吨液氧煤油发动机,火箭二级采用一台18吨液氧煤油发动机。

 

  我国现役火箭发动机的单台推力在70吨左右。120吨液氧煤油发动机的诞生,不仅使我国成为继前苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家,而且一举将我国火箭发动机单台推力提升了60%,将极大提升我国进入空间的能力。

 

  除了长征六号,我国新一代运载火箭家族中的长征五号、长征七号也将使用120吨液氧煤油发动机。该发动机的研制成功,将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定坚实的基础。

 

  从六院了解到,该院还在进行460吨等更大推力的液氧煤油发动机的研制,未来将建立满足我国航天事业发展需要的液氧煤油发动机型谱。

 

  在此,让我们探秘液氧煤油发动机,看看航天新动力到底强在哪。

 

  廉价环保

 

  绿色环保是液氧煤油发动机的一大特点,实现了我国火箭动力从常规至绿色无毒的巨大跨越。

 

  我国在新一代发动机研究之初,就决定选择无毒的液氧和烃类推进剂。科研人员通过比较煤油、甲烷和丙烷等几种推进剂,确定了代表技术发展趋势的液氧煤油作为推进剂。然而,火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点,经过努力,我国研制出了国产的火箭煤油。

 

  同时,液氧煤油发动机推进剂具有来源广泛、价格低廉的优点,平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级。以发射神舟飞船的长征二号F火箭为例,如果采用液氧煤油,每次发射可以节约推进剂费用上千万元。

 

  集多项新技术于一身

 

  液氧煤油发动机突破了关键技术80余项,其中最突出有7项。

 

  液氧煤油发动机采用了先进的补燃循环技术。这是一种闭式循环,可以使全部推进剂的化学能得到充分释放,提高了发动机的性能。所谓补燃循环,是燃气经涡轮做功后进入燃烧室进行二次燃烧,从而更充分地利用推进剂的能量。相对发生气循环来说,补燃循环方式的综合效率更高,但结构较为复杂,设计难度大。

 

  补燃发动机首先要解决自身启动技术难题。我国以往的发动机需要依靠专门的火药启动器等装置,而液氧煤油发动机实现了自身启动,二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。

 

  为了提高运载火箭的性能和适应性,液氧煤油发动机具有大范围推力调节能力,如同自动挡的汽车,可以实现无级变速。对于载人航天来说,通过推力调节可以有效降低火箭飞行中的加速度,提高航天员的舒适度,降低对航天员的体能要求,使普通人也有望遨游太空。

 

  在空间很小的腔体内完成推进剂的高效燃烧,是液体火箭发动机的技术关键。液氧煤油发动机燃烧腔体较小,而燃烧效率达到98%以上。

 

  涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的心脏。液氧煤油发动机的泵产生的最高压强达到500个大气压,相当于把上海的海水打到5000米的青藏高原。

 

  液氧煤油发动机具有多次工作的能力,发动机生产出来后可以进行试车考核,通过“磨合”试验后重新校准、检查,合格后再交付使用,使发动机的精确度和可靠性得到保证。同时可以在此技术基础上研制重复使用发动机,将使运载火箭实现天地往返的可重复飞行。

 

  为了保证液氧煤油发动机的研制,中国航天科技集团公司六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,为我国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。

 

  用途广泛

 

  液氧煤油发动机可以通过发动机台数的模块化组合,形成低轨道10至25吨、太阳同步轨道5至15吨、地球同步转移轨道6至13吨的运载能力。与国外最先进的“阿里安5”“宇宙神5”“德尔塔4”以及正在研制的“安加拉”运载火箭处于同一水平。

 

  同时,液氧煤油发动机还能替换现役火箭发动机,不仅能实现现役火箭的绿色环保,还能大幅提升火箭的运载能力。以长征二号F火箭为例,其下面级采用的常规推进剂8台发动机,运载能力约为9吨。如果换成120吨液氧煤油发动机,只需要6台就能将运载能力提升到13.5吨。

 

  此外,液氧煤油发动机的研制极大促进了技术发展。其材料新、技术新,基于国内过去的工业基础,无法满足其需求。通过该发动机的研制,我国突破并掌握了多项新工艺和新材料,研制开发了近50种新材料,突破了30多项关键工艺。

 

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