为“冰箭”造芯 到底难在何处——揭秘长征五号遥三运载火箭的动力系统

2019-12-29 07:00
编辑: 郝云菲
来源: 新华网

  新华社西安12月28日电题:为“冰箭”造芯 到底难在何处——揭秘长征五号遥三运载火箭的动力系统

  新华社记者付瑞霞

  12月27日20时45分,长征五号遥三运载火箭在海南文昌发射场腾跃九天。其全部动力系统由总部位于西安的中国航天科技集团有限公司第六研究院提供。

  在长征五号遥三运载火箭上,共有30台来自航天六院的四型发动机,分别是8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机和18台姿控发动机。

  氢氧发动机:“极冻”条件“造芯”

  被昵称为“胖五”的长征五号运载火箭,还有一个特别的名字——“冰箭”,因为它的芯一级动力配备的是氢氧发动机,以超低温的液氢、液氧作为燃料。

  如果把常规火箭和“胖五”比作两辆车,在携带同样的行李行驶同样的路程时,前者自重需要1000吨,而后者自重只要约600吨。走相同的路,做相同的事,只需要原来一半的干粮。因此“胖五”的有效载荷,即运载卫星的能力明显增强。

  为“胖五”减负增力,液氢液氧推进剂功不可没,但它们极低的温度也给研制人员带来挑战。

  航天六院11所(京)主推进发动机设计部主任郑大勇说,氢氧发动机要经受“冰火两重天”的巨大考验。液氢温度可低至-253℃,而液氢和液氧燃烧时的温度高达3300℃。

  巨大的温差对氢氧发动机的制造材料、加工和装配都提出更高要求。除此之外,轴承、燃烧不稳定性、氧涡轮等多种问题也是研制中的难点。

  氢氧发动机的研制队伍通过研制更先进的测量方法、分辨率更高的振动分析软件和试后产品检测方法,通过采取有效措施,有效消除了发动机的隐患。

  液氧煤油发动机:细节之处有“看点”

  以往常规火箭装配,细小的头发丝被称为多余物,而对“胖五”而言,装配人员在舱体呼出的二氧化碳都被视作多余物。如果不及时进行气体置换,二氧化碳会在低温状态下冻结成固态,成为看得见摸得着的多余物。

  从这一点足以见得,在“胖五”身上,每一处细节都值得深究,都体现着发动机研制人员的“工匠精神”。

  在“胖五”发射时,作为助推发动机的8台120吨级液氧煤油发动机和芯一级动力的2台50吨级氢氧发动机几乎同时点火,橘色火焰从火箭尾部喷出,“胖五”身着夺目的“燕尾服”一跃而上,场面十分壮观。

  其实,在120吨级液氧煤油发动机起动之前,还有一个非常关键的环节,这个环节被设计人员简称为“强吹”,就是在即将点火前向发动机燃烧室“强制”吹入高压氮气,这种氮气可以改善最先点火燃烧的组件的工作条件,让发动机点火时压力等关键参数稳步上升,实现点火瞬间的“快且柔”。就像短跑运动员,在发令枪打响的一瞬间,能迅速冲出起跑线但不至于太过生硬而摔倒。

  辅助动力系统:低温下的“热血青年”

  为“胖五”特别定制的辅助动力系统包括18台姿控发动机以及配套的气瓶、阀门、管路和贮箱。它们就装配在火箭二级氧箱尾部,负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。

  因为太空中没有重力,火箭箱体中的液氢和液氧是以悬浮状态存在。为了让液氢和液氧贴合在火箭箱体底部,进而可靠实现膨胀循环氢氧发动机的二次起动,就需要被技术人员叫作“大沉底”“小沉底”的4台300N发动机和2台60N发动机来发挥作用。

  姿态控制就是火箭的俯仰、偏航和滚转,前两个动作分别由4台300N发动机完成,滚转则由4台150N发动机完成。

  在星箭分离前,负责沉底管理的4台300N发动机还会为火箭再次加速,让卫星与箭体分离时具备一个合适的初始速度,以便后续精准入轨。

  这些发动机有多大,形象地说,300N、150N和60N发动机就分别像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小,成人用单手就能抓住。小而巧的它们,也承受着严苛的工作环境。在火箭飞行时,有大发动机工作带来的强烈振动,有火箭级间分离时带来的冲击,还要承受液氢液氧的低温环境和膨胀循环发动机工作时的热流环境。

  这些小小的发动机,工作时间累计2000秒,工作累计数百次,像一个个“热血青年”,为火箭飞行保驾护航。如此,才有了火箭精准细微的姿态变化。

  航天六院科研生产计划部部长王愿宁说,“胖五”动力有多大,发动机研制任务就有多难,研制中面临的挑战就有多大。每一个液体动力研制团队各有各难,各出奇招。最终,他们又带着精心雕琢的发动机产品,汇聚在海南文昌发射场,合力推举“胖五”升空。(完)

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