航天液体动力再进一步 120吨液氧煤油高压补燃泵后摆发动机

人类进入空间的能力有多大,航天发展的舞台就有多广阔。液体主动力作为航天运输系统的“心脏”,直接决定着航天器进入空间的能力,其先进程度是一个国家科技发展水平的重要标志。

20世纪六七十年代,我国研制成功70吨级常规发动机,为我国现役“长征”系列运载火箭提供了可靠动力,奠定了我国航天大国的地位。进入二十一世纪,为了适应提升运载能力、发展绿色航天的需要,航天科技集团六院经过数十年刻苦攻关,成功研制了我国新一代120吨级大推力高性能无毒环保液氧煤油发动机,并于2018年获得国家科技进步一等奖。

泵后摆代表我国液氧煤油发动机最高水平

本届珠海航展展出的YF-100K(120吨液氧煤油高压补燃泵后摆发动机)发动机是我国最新研发的首型大推力、高性能、泵后摆液氧煤油发动机,是在我国已投入飞行应用的120吨级液氧煤油发动机基础上,采用泵后摆布局等一系列创新技术、提高推质比、增大推力、简化使用维护性能、进行可靠性提升改进的一款产品,代表了目前我国大推力液氧煤油发动机的最高技术水平。

2017年6月2日,我国首台泵后摆火箭发动机在航天科技集团六院首次试车获得圆满成功,成为世界上第二个掌握泵后摆核心技术的国家。

泵后摆是针对泵前摆提出的。火箭飞行中要调节方向,就靠火箭喷管的摆动。当前,还是通过发动机的整体摆动来实现。既浪费效能,又占用空间。泵后摆技术随着耐高温高压的波纹管等技术的突破,使发动机在工作中只需要摆动喷管,就可调整姿态,发动机变得更为修长,如跳舞的少女,舞步更为轻盈,摆动着裙摆。

随着发动机的成功瘦身,以前火箭芯一级里只能装得下一台发动机,现在能放下两台,为火箭大大提升了载荷。

与常规发动机相比其优势特点

  • 一是采用液氧和煤油作为推进剂,液氧、煤油这两种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。绿色环保是液氧煤油发动机的一大特点。它的研制成功并实现太空飞行,实现了我国火箭动力从常规有毒至绿色无毒的巨大跨越。
  • 二是液氧煤油发动机采用了世界上最先进的高压补燃循环系统,技术先进、性能高;120吨级液氧煤油发动机,采用自身起动,起动系统的可靠性更高。
  • 三是液氧煤油发动机的推力及混合比可调,调节精度更高。
  • 四是地面热试车可重复使用。与常规发动机只能一次性使用相比,液氧煤油发动机在地面可重复试车,重复点火,从而节约研试成本,缩短研制周期;而且,每台发动机交付前,均要进行工艺验收试车,大大提高了火箭飞行的可靠性及性能。

液氧煤油发动机研制的关键技术突破

液氧煤油发动机研制过程中突破了一系列关键技术:120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机技术复杂、研制难度大、创新性强,发动机研制过程中突破了近80项设计、制造、试验技术,带动了我国50余种新材料的研制,是我国航天主动力技术发展的重大里程碑。其中,最为突出的是突破了以下7项新技术。

先进的补燃循环技术:液氧煤油发动机采用的补燃循环技术,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(称为补燃),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。

先进的自身起动技术:补燃发动机首先要解决自身起动这一难题。我国以往的发动机需要依靠专门的火药起动器等装置,而液氧煤油发动机实现了自身起动,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。

大范围推力调节技术: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,如同自动档的汽车,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。

先进的高效燃烧技术: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诀窍。液氧煤油发动机燃烧腔体较小,而燃烧效率达到了98%以上。

高压大功率的涡轮泵技术:涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的“心脏”。液氧煤油发动机的涡轮泵,产生的最高压强可达到500个大气压,相当于能够把上海黄浦江的水,打到5000米的青藏高原。

多次试车技术: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了进一步的保证。同时,可以在此技术基础上研制重复使用的发动机,使运载火箭能像实现天地往返的可重复飞行。

先进的试验技术:为了保证液氧煤油发动机的研制,中国航天科技集团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。

利用先进的补燃循环技术、先进的自身起动技术、大范围推力调节技术、先进的高效燃烧技术、高压大功率的涡轮泵技术、可多次试车技术和先进的试验技术这七大突出技术优势,液氧煤油发动机理所当然地成为了我国新一代三型运载火箭的主动力,将为我国今后载人航天、探月工程、空间实验室、乃至深空探索等重大专项任务,提供更加强大可靠的动力。

瞄准我国航天事业发展需要,六院还在进行500吨等更大推力的液氧煤油发动机的关键技术攻关,泵后摆技术,也是重型运载火箭的核心技术。重型火箭发射升空时,需要拥有更强大的姿态调整能力,以抵御气流、燃烧等带来的影响,确保火箭按既定轨迹行进。传统发动机是整体摆动,泵后摆技术将摇摆装置后置,局部摇摆,能使发动机体积缩小。节省出来的空间,可以为运载火箭并联更多的火箭发动机提供可能,实现超大推力。

(本文来源:航天六院)