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极简科学课 | 不止世界最大推力,这个火箭发动机有多牛

来源:中央纪委国家监委网站 发布时间:2021-10-31 14:00

中央纪委国家监委网站 于露

  

在试车台工位等待试验的500吨整体式固体火箭发动机。

  近日,由我国自主研制的目前世界上推力最大的整体式固体火箭发动机在中国航天科技集团有限公司第四研究院试车成功。据了解,该发动机直径3.5米(3.5m),推力达500吨(500t),并且运用了多项先进技术,综合性能达到世界领先水平。

  500吨的推力究竟有多大?发动机有这么大的推力都可以干什么?3.5米的“腰围”、“皮薄馅儿大”的燃烧室、超大尺寸喷管……除了推力大,这个“大力士”还有什么了不得的地方?这堂极简科学课,让我们听听航天科技集团四院四十一所固体运载动力技术研究室主任、Φ3.5m/500t先进固体发动机技术负责人白彦军怎么说。

  问题1:500吨推力具体是个什么概念?试验的成功对我国运载火箭技术的发展有什么重大意义?

  白彦军:推力的标准单位为N,即牛顿,500吨推力转化为牛顿为4900000N,即4900kN,相当于2450匹马的拉力。与之对比,波音777客机运用的一款发动机在测试中达到的推力为569kN。

  人类的一切“飞天”活动首先要摆脱地球引力的束缚,航天活动的主要工具是运载火箭,而运载火箭的关键就是发动机,它是火箭的心脏,是火箭摆脱地球引力的“推力”产生的源泉。发动机的推力越大,火箭的载荷和能达到的距离就越大。

  大推力固体发动机是运载火箭实现大起飞推力的核心之一,同时,由于固体发动机具有结构简单可靠、易实现大推力、操作维护方便、无依托、可长期贮存等优点,对于简化运载火箭构型、降低系统复杂度、减低靶场操作维护程度意义重大。

  基于3.5m/500t推力固体发动机,利用分段对接技术,我们能快速将推力提升到千吨级以上,可应用于大型、重型运载火箭固体助推器中,以满足我国空间装备、载人登月、深空探索等航天活动对于运载工具的不同发展需求,为建立完善的航天运输系统提供更加强大有力的动力支撑。

  问题2:刚才您讲到了固体发动机的优势,实践中,有的大型火箭配备的是液体发动机。选择什么样的燃料给火箭助力,这里面什么讲究吗?

  白彦军:固体火箭发动机和液体火箭发动机统称为化学类火箭发动机,依据燃料形式不同分为固体和液体。二者的优点和缺点都相对突出,固体发动机的优势我刚才提到了,但是它也存在推力调节相对困难、比冲(单位推进剂的量所产生的冲量,是用于衡量发动机效率的重要物理参数——编者)偏低、工作时间偏短等不足。

  液体火箭发动机推力调节容易、比冲较高、工作时间较长,但是结构复杂、大推力实现难、操作维护复杂、长期贮存性差。 

  

将神舟十三号载人飞船送入预定轨道的长征二号F遥十三运载火箭,逃逸塔采用的是固体发动机。

  固体发动机和液体发动机之间是功能互补的关系,因此,使用液体芯级配合固体助推就可以充分发挥两者的优点。当然,采用固体还是液体,还需要综合考虑火箭的具体构型、具体要求、研制目的,以及一个国家的发动机能力与技术等因素。

  问题3:据了解,火箭发动机的研发一般分为“整体”和“分段”两条技术路线,整体式固体发动机和分段式固体发动机各适用于什么样的场景?

  白彦军:对于大型固体发动机而言,增加推力就必须增加装药体积。固体火箭发动机燃烧室一般是圆柱型的,增加装药体积有两条途径,一是增加燃烧室直径,二是增加燃烧室长度。不管是燃烧室直径和长度,必须与研制能力、铁路公路海路运输要求、操作维护和工程使用等相互匹配。

固体火箭发动机向试车台转运途中。

  当设计的固体发动机参数满足上述条件,我们一般就选择整体式固体发动机。本次试验的直径3.5m/500t推力整体式固体发动机对于铁路而言属于二级超限,是可以运载的最大直径。对于公路而言,该发动机加上运输车、运输托架等综合高度约4.3米,按照我国高速桥梁限高一般在4.5米也是可以运输的。

 

分段式发动机示意图。

  当设计的固体发动机参数不满足以上部分条件时,我们就可以采用分段式固体发动机。分段就是指将发动机燃烧室分为若干段,每一分段单独进行生产,之后再通过分段对接技术将每段燃烧室对接起来形成燃烧室。

  分段主要是为了满足未来更大推力固体发动机的研制,本次完成试车的直径3.5m/500t推力固体发动机通过分段对接技术,就可以形成直径3.5米的3分段、4分段、5分段式固体发动机,推力可以覆盖1000吨至1500吨,甚至更大。

  在分段式发动机设计上,工程师们一般会设计一节标准的中间段,通过中间段数量的调整对装药量进行调整,进而实现不同台阶推力的覆盖。

  问题4:据报道,此次试车成功的发动机运用了多项先进技术,如“高性能纤维复合材料壳体”“高装填整体浇注成型燃烧室”“超大尺寸喷管”,这些技术究竟厉害在哪里,能不能为我们的读者详细介绍一下? 

  白彦军:固体火箭发动机燃烧室就像一个饺子,燃烧室的壳体就是“饺子皮”,里面装的药就是“饺子馅”。跟饺子一样,固体发动机也是“皮越薄、馅儿越大”越好,因为这样发动机的“质量比”才会更高。“质量比”是发动机装药量与发动机总质量的比值,“质量比”越高,火箭能获得的速度就越大。传统固体发动机使用钢作为壳体材料,而本次试车的发动机壳体采用了碳纤维复合材料,它的强度是钢的3倍以上,密度却只有钢的1/5,使得壳体真正做到了“薄而轻”。这过程中,我们攻克了壳体的设计、缠绕芯模、缠绕技术等多个技术难关。

点火试车过程中的固体火箭发动机。

  大型固体火箭发动机燃烧室一般采取浇注成型,这和我们日常所见的铸造差不多,不过这个过程比日常的铸造复杂和艰难得多。燃烧室设计上有一个指标称为“装填比”,也就是装药体积和壳体自由容积之比,“装填比”越高,表明壳体空间利用率越高,这对提升固体发动机“质量比”意义重大。如何在有限的空间内装下尽可能多的推进剂,且要满足工作时间等指标要求和确保结构在复杂工作环境下不破坏,是我们的工程师们关注的焦点和努力方向。

  喷管是固体发动机能量转换的关键部件,通过喷管作用,发动机装药燃烧产生的热能就转化为推动火箭前进的动能。喉衬是喷管工作环境最恶劣的部位,除了承受高温、高压作用,还要承受每秒约1900千克的质量流出。因此,固体发动机喉衬设计与材料选用非常关键。我们的设计师在3.5米固体发动机喉部设计时非常慎重,采用创新成型方法实现了大尺寸喉衬的研制成型,并通过精细化仿真获得了喉部不同部位的工作环境参数,本着“按需设计”的原则做到材料的“按需使用”,确保“好钢用在刀刃上”。

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  固体火箭发动机专业研究哪家强?

 

航天科技集团四院固体运载火箭发动机研制团队。

  中国航天科技集团有限公司第四研究院成立于1962年7月1日,是我国历史最久、水平最高、实力最强、规模最大的固体火箭发动机专业研究院。主要承担我国运载火箭、战略战术导弹、卫星、载人飞船等航天产品固体发动机的研制、生产、试验任务,以及在该领域内的国家重大技术创新和预先研究任务。该院是军委装备部火箭发动机及推进剂专业组组长单位,也是国防科工局“十五”、“十一五”确定的唯一的固体发动机统筹建设单位。

  (本文图片由中国航天科技集团有限公司第四研究院提供)