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刘志让:我们攻克的是火箭的“心脏”难题

发布时间:2019-05-15 16:10 来源:中国报道

火箭发动机研发团队中,既有耄耋之年仍然奋斗在科研一线的老科学家,也有一大批怀揣梦想、敬业奉献的中青年技术骨干。这些默默无闻的奋斗者,时时刻刻心怀祖国,不忘责任和使命,用智慧和力量创造了中国奇迹。

文︱《中国报道》记者 王哲

从北斗组网卫星成功发射到“嫦娥”成功登月,再到今年春节档热映的中国第一部硬科幻电影《流浪地球》形成全民热潮,越来越多的国人对航天事业产生了浓厚兴趣,大众的航天热和太空探索热持续升温。

在电影《流浪地球》中,一万座行星发动机全功率开启,驱使整个地球离开太阳系踏上流浪之旅的影像震撼人心。在这部科幻电影的设定里,第一批利用重元素聚变为燃料的行星发动机2040年前建成;而在现实中,按照规划,到2040年,我国未来一代运载火箭将投入应用,空间运输系统实现长时间多次星际往返,组合动力两级重复使用运载器研制成功,核动力空间穿梭机出现重大突破。这已经不是科幻。

火箭动力有多大,航天的舞台就有多大。航空航天领域的发动机制造一直是我国的短板,长期受制于人,而正是在中国航天科技集团第六研究院院长刘志让等一批航天人的不懈努力下,中国才打破了西方垄断,成为继美俄之后能拥有国产重型火箭发动机的国家。刘志让院长近期接受了《中国报道》记者的专访,讲述他亲历的我国新一代运载火箭研发的光辉历程以及我国宇航动力的远大未来。

创新发展“长征”路

“无论是在首都北京液体动力从零起步的白手起家,还是在三线建设时期的艰苦创业;无论是搬迁西安后的发展壮大,还是两次战略重组的融合发展,在中国航天波澜壮阔的峥嵘岁月中,航天六院人始终坚持不懈地努力。”刘志让告诉《中国报道》记者,50多年来,航天六院自主研制了100多种不同型号、不同性能、不同用途的液体火箭发动机及空间推进系统,应用于长征系列运载火箭,将100多颗卫星以及飞船送往预定轨道。

伴随着我国新一代运载火箭长征五号、长征六号、长征七号的完美首飞,中国航天已经有了向深空进军的最重要物质基础。推举这三型火箭升空的正是120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机,它代表着我国运载火箭发动机的最高水平,是新一代航天动力,它将我国近地轨道运载能力从9.5吨提升到25吨,是我国后续探月工程、空间实验室、空间站等发射任务的主要动力。

发动机是火箭和航天器的“心脏”,研制无毒、无污染、高性能、绿色环保的新型大推力液体火箭发动机,并在重大航天工程上使用,是人类探索深空的需求,也是世界各航天大国梦寐以求的目标。

早在上世纪80年代中后期,我国著名火箭发动机专家、时任067基地(航天六院的前身)主任张贵田,就率先提出中国要发展绿色环保液体火箭发动机。怀揣着研制绿色环保液氧煤油发动机的梦想,一批又一批的科研人员开始了艰难而执着的探索。

液氧煤油发动机的研制可谓攀登世界航天动力领域的“珠穆朗玛峰”。液氧煤油发动机采用的推进剂和循环方式与传统发动机完全不同,在最高压力、涡轮功率、推进剂流量等设计参数上,也比传统发动机高出数倍。这就要求科研人员在结构设计、材料、工艺、试验等诸多方面必须采用一系列先进技术,大大增加了发动机研制的难度。突破这些关键技术,不仅是对航天六院几十年来液体火箭发动机已有认知的创新实践,也是对未知领域的大胆探索。

“20多年前,当我们将液氧煤油发动机作为发展方向时,工业水平与世界先进技术有着很大的差距,特殊材料、工艺设备和检验手段根本没有,研制的艰辛可想而知。”刘志让表示,“当时,国内外普遍认为我们搞不出来,有国外权威专家甚至说,‘即使你们能把发动机设计出来,也无法制造出来。’ ”

在外界的一片质疑声中,刘志让和他的同事们更加坚定了一定要研制出液氧煤油发动机的信心与决心。“这一火箭新动力若研制成功可以使我国快速跨入世界航天强国,我们没有理由不坚持。”

航天六院迎难而上,组建了一支由老中青科研人员组成的液氧煤油发动机研制团队,开始了艰苦卓绝的攻关。面对前所未有的新技术、国内鲜有的新材料、无从借鉴的新工艺,科研人员向一个个难关发起了挑战。通过对我国基础工业水平和我国已有火箭发动机的研制基础进行分析,他们确定了各阶段的研制目标、主要内容,对关键技术和核心技术集中力量逐一攻克。

“我们几乎跑遍了全国所有相关的高校、研究院所,听说了我们的目标,大家几乎都毫无保留、倾其所有,在大家的共同支持下,终于艰难起步了。”刘志让告诉记者。

经过持续攻关,航天六院先后完成了液氧煤油发动机总体方案论证,开展了对富氧燃气发生器、主涡轮泵关键技术和主要阀门技术的研究探索,攻克了液氧煤油发动机燃气发生器—涡轮泵联动试验等一系列关键技术,并于2000年通过了国家的正式立项。从此,液氧煤油发动机的研究攻关工作步入正轨,研制团队的信心更足了。

正式立项后,随着研制进程的深入,液氧煤油发动机所面临的一系列新的技术难关又横亘在研制团队面前。在液氧煤油发动机研制初期,启动问题就成为摆在设计人员面前的第一道难关。“液体火箭发动机启动是最复杂最难的设计,在几秒甚至零点几秒内,发动机的转动件要从静止状态加速到每分钟几万转的高转速,燃烧组件要从环境温度达到三四千摄氏度的高温,在启动过程的千分之几秒内,任何一个环节设计不好都可能导致发动机故障乃至爆炸,失败与曲折是常有的事。”刘志让回忆说。

“2001年,120吨液氧煤油发动机先后进行了4次整机试车,全部失败,有两次是因启动不正常导致发动机发生爆炸,还有两次是燃气系统烧毁。让研发人员的压力倍增,经过近半年的艰苦攻关,找到了失败的根本原因,液氧煤油发动机才终于取得突破。”刘志让回忆说,“当时,随着失败的次数增多,设计人员的压力越来越大,大家都整晚整晚地睡不好觉,我记得当时有一段时间一睡着就梦到试车失败的火光和浓烟,太煎熬了。每次试车前夕,就是我们精神最紧张压力最大的时候。”

“进入到液氧煤油发动机产品大会战后,发动机零部组件生产制造所有车间倒排工期,零件交接均以小时计算。我们很多工作人员几个月都没睡过一个囫囵觉。”刘志让对记者说,每个设计人员都没有气馁,而是发挥各自的聪明才智,千方百计地收集资料,提出新方案,不断修正启动仿真模型,优化启动程序。

经过半年努力攻关,研发团队终于摸清了试车失败的根源和机理,完成了50多页的设计报告,提出了发动机新的启动方案和启动程序。设计人员在随后的试车中,发动机启动平稳,工作正常,按预定程序关机,起动过程与仿真结果良好吻合,液氧煤油发动机研制终于制服了“启动”这只拦路虎,取得了里程碑式的突破。

心怀祖国创造奇迹

“我们的研发团队中,既有耄耋之年仍然奋斗在科研一线的老科学家,又有一大批怀揣梦想、敬业奉献的中青年技术骨干。他们的收入在全行业中最多只能算中上等,但他们肩负的压力和责任则是大多数工作所无法比拟的。这些默默无闻的奋斗者,时时刻刻心怀祖国,不忘责任和使命,用智慧和力量创造了奇迹。”刘志让对记者说。

10余年间,航天六院科研人员经历了无数次失败与挫折,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。液氧煤油发动机研制成功,使我国成为世界上第二个掌握液氧煤油发动机核心及关键技术的国家,显著提升了我国进出宇宙空间的能力,是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。

“以往的传统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,相当于把老式的手摇拖拉机改造为一拧钥匙即能启动的汽车;液氧煤油发动机就如同自动挡汽车,可以实现无级变速,对载人航天来说,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;液氧煤油发动机的‘心脏’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,打到海拔5000米的青藏高原。”刘志让向记者讲述液氧煤油发动机研发成功的重大意义,“未来,科研人员可以在液氧煤油发动机基础上研制出能够重复使用的发动机,使运载火箭实现天地往返、重复飞行。”

为了研制液氧煤油发动机,航天六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵实验室,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。

刘志让带领下的航天六院,一步步突破了国外技术封锁,突破了从常规推进剂到高能低温推进剂、推力从毫牛级到120吨级液氧煤油发动机等一系列液体火箭发动机关键和核心技术,研制出了上百种适用于长征系列火箭的液体火箭发动机,满足了从常温到低温、串联到捆绑、一箭单星到一箭多星、发射卫星到发射飞船、发射地球轨道航天器到发射深空探测器的需要,为广播通信、气象、资源等系列卫星及神舟飞船等提供空间推进系统。

“在军民融合领域,我们也做了大量的工作,比如大家在《流浪地球》中看到的行星发动机喷射的等离子体其实并不完全是科学幻想,我们甚至已经把相关火箭发动机等离子体点火技术应用到了民用领域。”刘志让介绍说,依托军民融合平台——陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室,通过火箭发动机等离子体点火技术的拓展应用,利用高电压引弧,通过等离子体炬产生高温等离子束,引入1600℃高温的气化炉,使固体废弃物中的有机物完全裂解气化为可燃性气体,无机物质高温熔融为玻璃态物质并回收利用,使危险废弃物彻底无害化,无二恶英产生并固化重金属,可以处理任何固体废弃物。

建成世界一流宇航动力公司

3月24日,中国航天科技集团有限公司六院某试验区指挥控制中心传来一片欢呼声,我国自主研发的500吨级液氧煤油发动机燃气发生器的涡轮泵联动试验取得圆满成功,这意味着我国500吨级重型火箭发动机迈出了关键性的一步,而这款500吨级的发动机型号为YF-480型,将是当之无愧的“国产心脏”,展现中国在重型火箭发动机领域的实力与成就。

据刘志让介绍,目前,俄罗斯占据了重型火箭发动机领域的第一宝座,其研制的RD-170火箭发动机的推力达790吨,其次是美国的F-1火箭发动机,推力达690吨,而中国的YF-480型将成为仅次于美俄的又一款重型火箭发动机。

YF-480型火箭发动机,将成为我国正在研发的重型运载火箭长征9号的最强心脏。而长征9号运载火箭,是我国长征系列运载火箭中运载能力最强的一款,在未来将担负起中航的各项重大航天任务,例如载人登月项目、国际空间站的建立以及火星登陆等深空探测项目。

“3月份,长征系列运载火箭迎来了第300次发射的里程碑,载人航天工程长征五号乙运载火箭目前已经全面进入试样研制,后续将开展首飞前准备;北斗卫星导航系统将完成7箭10星发射任务,这些成就的取得同中国航天液体动力事业创新发展的非凡历程是分不开的。”刘志让向记者介绍说,目前,长征九号运载火箭的先期关键技术攻关、方案深化论证阶段的工作,包括“重型运载火箭总体技术”“大推力液氧煤油发动机技术”等12项重大关键技术攻关即将收尾。长征九号箭体直径达9.5米,全箭总长近百米,运载能力是目前我国火箭最大运载能力的5倍以上,未来将执行我国载人登月、深空探测等重大工程项目的发射任务。

刘志让对《中国报道》记者描绘了中国航天未来的远大图景:我国在2020年至2030年间规划了4次深空探测任务,包括首次火星探测、小行星探测、火星取样返回,木星及行星系穿越。其中首次火星探测任务将于2020年底前完成火星探测器的发射,对火星进行环绕、着陆和巡视探测。2030年重型运载火箭实现首飞。2035年,运载火箭实现完全重复使用,以智能化和先进动力为特点的未来一代运载火箭实现首飞。2040年,我国未来一代运载火箭将投入应用,空间运输系统实现长时间多次星际往返,组合动力两级重复使用运载器研制成功,核动力空间穿梭机出现重大突破。

“对太空的探索永无止境,我们现在承担的好多任务是我们很多年前就设想到的,但那时认为非常遥远,可能得要几代人的努力,结果没过多长时间我们就实现了。就拿300次宇航发射来说,前100次用了37年,第二个100次用了7年,第三个100次用了4年⋯⋯我们现在的想象,也许在不久的将来就能成为现实。”刘志让说。

(《中国报道》2019年5月刊)

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责任编辑:柴晶晶

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