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5个马赫环背后的“氧烷遭遇战”

2018-12-10 02:05 来源:科技日报 参与互动 
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  80吨发动机短喷管推力室成功点火
  5个马赫环背后的“氧烷遭遇战”

以液氧甲烷为推进剂的朱雀二号火箭一二级分离示意图

  本报记者 张佳星

  耀眼的5个马赫环!

  作为发动机力量最毋庸置疑的“官宣”,马赫环总能成功激发起雄性荷尔蒙。日前,在浙江湖州蓝箭航天自主研发的80吨液氧甲烷发动机天鹊(TQ-12)短喷管推力室成功点火20秒的现场,研发人员为其点火时喷出的5个幽蓝色马赫环心动不已。

  马赫环是火箭发动机、超音速燃烧冲压发动机等在大气层中工作时,尾部喷出的明亮耀眼、钻石型激波。“这次的试车是在60%的工况(最高推力的60%)下完成的。”蓝箭航天高级工程师袁宇主持推力室的研发工作,他介绍,在100%工况下,火箭的推力将更大,马赫环也将更多。未来基于天鹊发动机的朱雀二号中型液体火箭能够将两辆越野车送入太空。

  随着我国民营航天产业的发展,继多枚固体火箭发射成功之后,液体发动机成为自主研发征程中的下一个“要塞”。长期以来,人类的火箭工程师铆足了劲研究基于偏二甲肼/四氧化二氮、煤油液氧和液氢液氧这三类液体火箭推进剂的发动机,直到21世纪,人们逐步认识到甲烷和液氧作为火箭推进剂也有很大的优势。

  液体发动机点火

  最惊心动魄的“氧”“烷”初相遇

  “3、2、1,启动。”指挥员沉稳的声音从对讲中传过来。

  10秒后,蓝箭航天80吨的液氧甲烷发动机推力室点火,从高台望去,发动机点火产生的巨大推力,让30米开外的石山飞沙走石、烟尘高起, 20秒时推力室关机,点火完成。

  相较于工作时间短比冲(单位推进剂量产生的冲量)低、难以精确控制的固体火箭发动机,液体火箭发动机可多次长时间工作,比冲较高、推力可控,但是结构复杂,要求严苛。“甲烷和液氧的进入与燃烧程序由电脑控制,在指挥员下令启动后,将由人工控制转入电脑自动控制,会有10秒等待时间,这10秒内控制系统将以毫秒为单位开启/关闭10个左右的阀门,并进行诸多参数的测量记录,实施点火。”袁宇说,目的是让液氧和甲烷在燃烧室里按设计的时间差相遇,整个过程必须做到毫秒不差。

  液氧和甲烷,两个都是暴脾气,在一起极容易擦枪走火。“如果甲烷先于液氧进入燃烧室,点火会引发爆炸。”袁宇说,“点火后,燃烧室内部温度和压强迅速爬升,温度将达到3200℃,而壁外流过的甲烷是零下161℃,两三秒内,进入喷嘴的甲烷将经历从纯液态到气液混合态,再到纯气态的过渡,同时流量也在迅速增大,燃烧室内的情况复杂异常。”这两三秒之内如果燃烧效率过低,火箭推力不够就无法起飞,如果出现不稳定燃烧就可能出现发动机损坏,火箭发射功败垂成。

  成熟稳定的发动机

  一半靠设计一半靠测试

  点火成功后15分钟,记者跟随蓝箭团队前往刚才产生了巨大能量和推力的试车台近距离一探究竟。

  最先经过的是一个两层楼高的白色液氮储存罐,旁边是液氧储存罐和甲烷储存罐,它们之间的管道用厚实的保温材料包裹着。“液氮气化后,用于给整套系统增压,给推进剂‘开路’。”技术人员介绍,系统的温度、压强等状态由高精度的传感器感知,相关数据都会传输到控制室,在那里操控和决策。

  “大量的试验是发动机研制成功的必要条件。液体火箭发动机集燃烧、传热、流体力学、结构力学、低温技术、测控技术等多种学科与技术于一体,仅仅依靠仿真计算无法满足发动机的研制。”袁宇说,一台成熟稳定的发动机,一半靠设计,一半靠测试。

  据介绍,在此次20秒点火试车之前,蓝箭航天已进行了1.5秒的箱压点火试验、5秒的短程试验和10秒的短程试车。“今天的试验是一次短喷管状态,60%工况的试车,目的是从4个方面验证天鹊发动机推力室。”袁宇解释,这4个方面包括验证喷注器在低工况下的燃烧效率,探索喷注器的节流工作下限;验证推力室低工况下的燃烧稳定性,获得压力波动及相关的震动数据;验证再生冷却与气膜复合冷却方案的热防护性能,获得甲烷超临界换热性能数据;验证喷注器结构和材料新方案的可靠性。

  一台发动机从设计到交付飞行,其累计热试车的时长一般要超过2万秒。其间燃烧、传热、流体力学、结构力学等大量数据的获取将帮助设计人员不断改进发动机。

  “在液体发动机的首飞之前,会经历模样、初样、试样3个研制阶段,累计进行100次左右不同内容的热试车,直到第10台发动机以后才进行鉴定验收交付飞行。”袁宇说,液体发动机也可以在服役期间不断完善,在发动机的基本型上,通过不断迭代提高推力、比冲等性能。

  拥有自己的试车台

  保障严苛技术细节得以实现

  “美国的马斯克创造了Space X,他和他疯狂的工程师们,把比较激进的技术创新想法在不设限的环境里实现,把我们对于航天和火箭的认识都颠覆了。”袁宇说,我们中国的火箭工程师并不是没有与之相当的疯狂想法和创新意愿,但是要想把想法变成现实,必须要有基础,要在自有配套试验设备和体系上验证、不断完善。

  此次短喷管推力室试车在蓝箭航天自建的高压挤压试车台上进行,位于浙江湖州西南30公里左右的深山中。主管试车台的高级测试系统工程师张昉介绍,这是国内目前唯一的民营火箭发动机热试车台,气源压力高达35MPa,贮箱压力最高可达32MPa,单侧贮箱容积4立方米,完全可以满足当前“天鹊”80吨级液氧甲烷发动机推力室低工况试车以及未来燃气发生器额定工况试车的需要。

  “企业管理层充分尊重火箭发动机研制规律,在我来蓝箭航天之前就明确告诉我,一定会建设自己的试车台。”袁宇说,目前其他民营航天企业计划采取租用、借用国有发动机试车台等方式进行发动机研制工作,“但是我们这些火箭发动机工程师都知道,只有拥有自己的试车台,才能在最短的时间,用最少的成本完成上百次发动机试车,保障严苛的技术细节得以实现。”

  “蓝箭航天一直致力于建立自主可控液体火箭发动机研发、生产、试验能力。此次短喷管推力室试车是一个双向验证。”蓝箭航天CEO张昌武表示,从产品层面,是对推力室的设计方案的一次有力验证,获得了大量试验数据来指导后续工作;另一方面也是对自主建设的试车台从人员、设备、软件、操作规程等进行全方位的大考。通过考核意味着蓝箭具备了大吨位液体火箭发动机研发、生产、冷试、热试等全方位核心能力。

  (本文图片由受访者提供)

【编辑:罗攀】
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