【世界独家】突破关键技术 让中国人脚步向深空延伸
发布日期: 2022-07-29 19:38:21 来源: 央视网

大屏幕上的这张照片,是这次发射问天实验舱的长征五号B运载火箭,主要承担我国空间站舱段的发射任务,它也是我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。它强大的动力来源就是发动机。发动机是火箭的“心脏”,它也是火箭技术含量最高、难度最大的部件之一。长五运载火箭采用的是液氢液氧,以及液氧煤油作为燃料,这也是当今世界航天发射的主流技术,它也是一个国家成为航天强国的标志之一。今天的揭秘中国空间站故事,我们一起来看一看“胖五”火箭发动机研制过程当中,它的团队是如何破解材料研制等“卡脖子”难题,一次次从头再来。

航天科技集团六院西发公司型号系列总工艺师 张和平:这就是长征五号用的发动机,长征五号一共用了八台120吨液氧煤油发动机。这个上面有许多新材料,典型的就是说在燃烧部分用的是高温合金。


【资料图】

高温合金被称为“先进发动机基石”。火箭发动机点火后,最高温度达到3000℃,在这样的高温高压富氧环境下,普通材料瞬间就会被烧成一堆废渣,在实施综合降温措施后,高温合金却依然能够保持稳定。2000年,国家正式立项,液氧煤油发动机进入工程研制,首先要解决的就是研发高温合金。负责技术的主管单位从事材料研发应用有几十年的经验,信心满满,然而他们研发的叶盘刚上试车台几秒钟,大家就傻眼了。

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普:最早试车的时候,因为对工艺参数也不掌握,我们心里也没底,所以试的时候只要工艺参数稍不对一些,那材料两三秒钟像天女散花一样就没了。

中国钢研科技集团特殊钢研究院副所长 苏杰:我们曾经遇到过同样的原材料、同样的炉子,前后练了两炉,有一炉合格,有一炉就不合格,所以可见它的工艺窗口确实很窄。

突如其来的失败,让大家高涨的热情瞬间降到冰点,国外专家甚至说:即使中国人能把液氧煤油发动机设计出来,也无法制造出来。国外专家的话并非没有道理,作为主任设计师的葛李虎跟同事估算,发动机需要的新材料达30多种。

没有基础,就下定决心从头开始。跟火箭发动机打了一辈子交道的葛李虎是个有心人,这一本本有些发旧的记录本,记录了葛李虎30多年间在火箭发动机研制过程中遇到的所有问题,这120个记录本也成为解决问题的一把钥匙。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎:这件事情怎么讨论的,这个是谁怎么发言的,最后怎么解决的,工厂有什么问题,不要设计员去到工厂去处理,你说一个意见,我说行,你说不行,这样子的话叫做矛盾你知道吗?

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普:大伙都叫他(葛李虎)拼命三郎,深更半夜给我们打电话、礼拜六礼拜天打电话,像这种把全身心投到航天里边的精神特别感染我们。

在葛李虎的感染下,研制团队重燃斗志踏上了新的攻关之路。高温合金是以铁、镍、钴为基础,加入大量其他合金冶炼而成。研制团队专门做了燃烧着火的装置,通过不断调整配方的化学成分,在两年中做了上百次试验,从起初的小炉研制到逐步扩大试生产,终于研制出了抗高温高压的高温合金。

没有从国外进口一克原料,我国研制的高温合金性能水平超越了国外同等类型合金,现在这种合金已经分别应用于航空发动机、液氧煤油发动机、液氢液氧发动机等国家重大工程项目。通过液氧煤油发动机研制,还牵引了高强度不锈钢等50多项新材料的创新,填补了我国这些材料研究的空白。

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对于发动机来说,攻克了材料的难关,只是万里长征走完了第一步,接下来每一步都无比艰难。这是一次发动机试车的画面,刚研制完成的发动机,在试车台上一点火就爆炸了。在液氧煤油发动机研制的初期,包括这样的爆炸,失败接连发生了四次。

2001年,对于液氧煤油发动机的研制团队来说是最艰难的一年。这一年进行了四次整机试车,均未成功,其中还连续两次发生了爆炸,这在中国航天的历史上也是绝无仅有的。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎:零点几秒全部炸完,炸完了以后连中间的一个零件“尸首”都找不到,不知道到哪里去了,没了,烧完了,所以给我们试验的分析工作带来了很大的困难。因为你找到“尸首”以后,看看哪个摩(擦)痕(迹)、哪个地方碰的、哪个地方撞的,这是可以分析出来。连“尸首”都找不着了,你分析啥?作为一个主任设计师,这发动机咋这么难,你咋交代,你说这怎么弄嘛?

接二连三的失败,对研制团队来说无异于一次次的沉重打击。一次试车成本上千万元,更重要的是试车不成功,新一代运载火箭的研制就无从谈起,面对心灰意冷的团队,压力最大的主任设计师葛李虎给大家打气鼓劲。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎:失败是肯定会失败的,百分之一百的失败,没有失败不可能有一个新型号。

记者:所以这也是我们创新的一个代价。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎:对,这是必定的代价。因为所谓的新型号就是新的技术,客观规律的认识还不清楚,一定要把所有的问题暴露出来,不怕失败。

问题暴露了,但要找到解决问题的关键却谈何容易,面对成百上千的零部件,怎样才能使发动机平稳顺利地启动呢?研制团队重整旗鼓,从爆炸碎片中分析故障原因。一个阀门问题的试验,他们连续做了100多次,白天做试验,晚上就分析数据、装配产品,最长的一次,300人在厂里住了整整3个月。经过近一年的摸索,终于看到了希望的曙光。

航天科技集团六院液氧煤油发动机副总设计师 陈建华:发动机在2002年一次试车中,试车时间仅仅只有5秒钟,很快就过去了,当时我就在现场。那么这一次试车的成功就标志着我们国家对于液氧煤油发动机起动技术的掌握,现在回忆起来还是记忆犹新。

2006年,液氧煤油发动机进行了600秒长程试车取得成功。2016年,液氧煤油发动机在长征五号首飞任务中获得成功。接下来,它还在我国首次火星探测任务、嫦娥五号、空间站天和核心舱的发射中发挥着重要作用,每次动力系统的表现都非常完美。

航天科技集团六院副院长 马双民:我们通过发动机的研制,也完全掌握了高压液氧煤油发动机的全套技术,研制出了我们具有完全自主知识产权的大型火箭发动机,支撑了我们运载火箭(动力)的更新换代。

这一次次从失败当中爬起来最后走向成功是怎么得来的呢?我们来看看这些很有年代感的小纸条,这叫换休条,航天科技集团六院的职工在有事的时候可以凭这样的换休条换休。我们可以看到换休条上都是葛李虎的名字,在葛李虎从事发动机研究的30多年当中,积攒的换休条多达300多天。300多天,整整一年时间额外的付出,这只是以葛李虎为代表的液氧煤油发动机团队为中国航天发动机更新换代拼搏奋斗的一个小小缩影。目前,航天科技集团六院研发的500吨液氧煤油发动机已经突破了主要关键技术,它也将在今年完成发动机整机热试车,动力更加强劲澎湃。未来,中国人探索的脚步也将继续向载人登月、向深空探测去延伸。

关键词: 航天科技 高温合金 火箭发动机

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