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為“冰箭”造芯 到底難在何處
——揭秘長征五號遙三運載火箭的動力系統

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發布時間:2019-12-30  來源: 新華社

????新華社西安12月28日電題:為“冰箭”造芯 到底難在何處——揭秘長征五號遙三運載火箭的動力系統

????新華社記者付瑞霞

????12月27日20時45分,長征五號遙三運載火箭在海南文昌發射場騰躍九天。其全部動力系統由總部位于西安的中國航天科技集團有限公司第六研究院提供。

????在長征五號遙三運載火箭上,共有30臺來自航天六院的四型發動機,分別是8臺120噸級液氧煤油發動機、2臺50噸級氫氧發動機、2臺9噸級膨脹循環發動機和18臺姿控發動機。

????氫氧發動機:“極凍”條件“造芯”

????被昵稱為“胖五”的長征五號運載火箭,還有一個特別的名字——“冰箭”,因為它的芯一級動力配備的是氫氧發動機,以超低溫的液氫、液氧作為燃料。

????如果把常規火箭和“胖五”比作兩輛車,在攜帶同樣的行李行駛同樣的路程時,前者自重需要1000噸,而后者自重只要約600噸。走相同的路,做相同的事,只需要原來一半的干糧。因此“胖五”的有效載荷,即運載衛星的能力明顯增強。

????為“胖五”減負增力,液氫液氧推進劑功不可沒,但它們極低的溫度也給研制人員帶來挑戰。

????航天六院11所(京)主推進發動機設計部主任鄭大勇說,氫氧發動機要經受“冰火兩重天”的巨大考驗。液氫溫度可低至-253℃,而液氫和液氧燃燒時的溫度高達3300℃。

????巨大的溫差對氫氧發動機的制造材料、加工和裝配都提出更高要求。除此之外,軸承、燃燒不穩定性、氧渦輪等多種問題也是研制中的難點。

????氫氧發動機的研制隊伍通過研制更先進的測量方法、分辨率更高的振動分析軟件和試后產品檢測方法,通過采取有效措施,有效消除了發動機的隱患。

????液氧煤油發動機:細節之處有“看點”

????以往常規火箭裝配,細小的頭發絲被稱為多余物,而對“胖五”而言,裝配人員在艙體呼出的二氧化碳都被視作多余物。如果不及時進行氣體置換,二氧化碳會在低溫狀態下凍結成固態,成為看得見摸得著的多余物。

????從這一點足以見得,在“胖五”身上,每一處細節都值得深究,都體現著發動機研制人員的“工匠精神”。

????在“胖五”發射時,作為助推發動機的8臺120噸級液氧煤油發動機和芯一級動力的2臺50噸級氫氧發動機幾乎同時點火,橘色火焰從火箭尾部噴出,“胖五”身著奪目的“燕尾服”一躍而上,場面十分壯觀。

????其實,在120噸級液氧煤油發動機起動之前,還有一個非常關鍵的環節,這個環節被設計人員簡稱為“強吹”,就是在即將點火前向發動機燃燒室“強制”吹入高壓氮氣,這種氮氣可以改善最先點火燃燒的組件的工作條件,讓發動機點火時壓力等關鍵參數穩步上升,實現點火瞬間的“快且柔”。就像短跑運動員,在發令槍打響的一瞬間,能迅速沖出起跑線但不至于太過生硬而摔倒。

????輔助動力系統:低溫下的“熱血青年”

????為“胖五”特別定制的輔助動力系統包括18臺姿控發動機以及配套的氣瓶、閥門、管路和貯箱。它們就裝配在火箭二級氧箱尾部,負責火箭二級發動機滑行階段的推進劑沉底管理、姿態控制和星箭分離前的末速修正。

????因為太空中沒有重力,火箭箱體中的液氫和液氧是以懸浮狀態存在。為了讓液氫和液氧貼合在火箭箱體底部,進而可靠實現膨脹循環氫氧發動機的二次起動,就需要被技術人員叫作“大沉底”“小沉底”的4臺300N發動機和2臺60N發動機來發揮作用。

????姿態控制就是火箭的俯仰、偏航和滾轉,前兩個動作分別由4臺300N發動機完成,滾轉則由4臺150N發動機完成。

????在星箭分離前,負責沉底管理的4臺300N發動機還會為火箭再次加速,讓衛星與箭體分離時具備一個合適的初始速度,以便后續精準入軌。

????這些發動機有多大,形象地說,300N、150N和60N發動機就分別像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小,成人用單手就能抓住。小而巧的它們,也承受著嚴苛的工作環境。在火箭飛行時,有大發動機工作帶來的強烈振動,有火箭級間分離時帶來的沖擊,還要承受液氫液氧的低溫環境和膨脹循環發動機工作時的熱流環境。

????這些小小的發動機,工作時間累計2000秒,工作累計數百次,像一個個“熱血青年”,為火箭飛行保駕護航。如此,才有了火箭精準細微的姿態變化。

????航天六院科研生產計劃部部長王愿寧說,“胖五”動力有多大,發動機研制任務就有多難,研制中面臨的挑戰就有多大。每一個液體動力研制團隊各有各難,各出奇招。最終,他們又帶著精心雕琢的發動機產品,匯聚在海南文昌發射場,合力推舉“胖五”升空。

編輯:陳小春
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