王盈

2022年11月5日，深秋的秦嶺五彩斑斕。在這最美的時(shí)候，身處山中，卻沒人有心思賞景。隨著“點(diǎn)火”指令發(fā)出，前所未有的強(qiáng)大能量撼動(dòng)著整個(gè)抱龍峪試驗(yàn)區(qū)，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)首次整機(jī)試車在此進(jìn)行。從發(fā)動(dòng)機(jī)推力室噴射出的熊熊火焰，將導(dǎo)流槽中的冷卻水升騰成云霧般的水汽，縈繞山間。

平穩(wěn)工作一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)順利關(guān)機(jī)，巨龍咆哮仍回蕩在耳邊，測控大廳響起熱烈掌聲，宣告著目前我國推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也是世界上推力最大的雙噴管補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，取得研制歷程中里程碑式的突破。

強(qiáng)勁動(dòng)力：為逐夢太空提供更多可能

回顧美國和俄羅斯的航天發(fā)展歷程，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以其高密度比沖、無毒環(huán)保、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭和航天飛行器，是運(yùn)載火箭主動(dòng)力的理想選擇。

我國從長征六號(hào)首飛開始，將120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于新一代運(yùn)載火箭的主動(dòng)力，在近10年數(shù)十次的飛行中，發(fā)動(dòng)機(jī)以超過百臺(tái)交付飛行產(chǎn)品全勝戰(zhàn)績，助力探火、探月、空間站建設(shè)等重大工程任務(wù)，書寫了新一代“金牌動(dòng)力”高可靠性的傳奇。

重型運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師陳暉介紹，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是目前國內(nèi)推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，“相比現(xiàn)役120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，推力提高3倍，海平面比沖提高2.7%，推重比提高22%，綜合性能達(dá)到世界先進(jìn)水平，可應(yīng)用于大型、重型運(yùn)載火箭，為滿足中國月球科考站建設(shè)、深空探測等航天活動(dòng)，提供強(qiáng)勁的主動(dòng)力選擇，進(jìn)一步拓展和豐富了航天液體動(dòng)力產(chǎn)品譜系”。

縱觀世界航天史，單看推力指標(biāo)，尚有珠玉在前。

20世紀(jì)60年代，美國研制了680噸級(jí)推力開式循環(huán)的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；20世紀(jì)70—80年代，蘇聯(lián)在大推力高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面取得突出成就，成功研制了740噸級(jí)推力的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)?！暗鳛槭澜缟贤屏ψ畲蟮碾p推力室液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合推力、比沖、推重比等多個(gè)指標(biāo)來看，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，已達(dá)到世界一流水平?！标悤熣f，“同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用了泵后搖擺布局方案，填補(bǔ)了國內(nèi)空白?！?/p>

發(fā)動(dòng)機(jī)的推力有多大，航天事業(yè)的舞臺(tái)就有多大。F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為土星五號(hào)重型運(yùn)載火箭的主動(dòng)力，托舉著人類成功邁出了載人登月的歷史步伐；RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)為能源號(hào)和天頂號(hào)等運(yùn)載火箭提供了強(qiáng)大動(dòng)力，造就了航天史上的一代傳奇。

陳暉說：“500噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，可為我國未來重型運(yùn)載火箭提供強(qiáng)大動(dòng)力，也可應(yīng)用于多種構(gòu)型的大型和中型運(yùn)載火箭，為大幅度提升我國進(jìn)入空間的能力，提供強(qiáng)大的動(dòng)力基礎(chǔ)?！?/p>

創(chuàng)新超越：實(shí)現(xiàn)多個(gè)國內(nèi)首次

據(jù)重型發(fā)動(dòng)機(jī)總體室主任邢理想、渦輪泵研究室主任許開富介紹，團(tuán)隊(duì)在500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)國內(nèi)首次：自身分級(jí)起動(dòng)、多噴管泵后搖擺、起動(dòng)關(guān)機(jī)和工況調(diào)節(jié)機(jī)電一體化控制技術(shù)、圓管式擴(kuò)壓器……“可以說，它代表著我國液體火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平有了階躍式提升，有力拉動(dòng)相關(guān)工業(yè)技術(shù)發(fā)展?！毙侠硐胝f。

首屈一指的關(guān)鍵技術(shù)，在于泵后搖擺。所謂泵后搖擺，是指將搖擺裝置后置，使發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中僅搖擺推力室部分就可實(shí)現(xiàn)推力矢量變化。相比于傳統(tǒng)方案，能夠有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量、降低搖擺力矩。

不僅如此，泵后擺發(fā)動(dòng)機(jī)減小了發(fā)動(dòng)機(jī)輪廓尺寸和重量，在箭體中需求空間減少，可以在不增加箭體直徑的基礎(chǔ)上增加發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量，提高火箭的有效載荷；降低了搖擺力矩，改善了使用維護(hù)性，推力得到提升的同時(shí)，可靠性更高。

“發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺的關(guān)鍵在于運(yùn)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)裝置的核心在于耐高溫高壓波紋管技術(shù)——這是一項(xiàng)之前世界上沒人能啃下的‘硬骨頭’。”主任設(shè)計(jì)師楊颯說，“在超過600 千克/ 秒的大燃?xì)饬髁亢透哌_(dá)500℃的富氧燃?xì)鉁囟认拢透邷馗邏翰y管既要?jiǎng)幼黛`活，又要工作可靠、‘指哪打哪’，還要保證其強(qiáng)度和壽命，實(shí)屬‘魚和熊掌必須兼得’的要求。”

研制團(tuán)隊(duì)通過細(xì)致分析，聯(lián)合高校開展攻關(guān)，歷經(jīng)10多年，最終掌握具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，攻克這項(xiàng)世界級(jí)難題。

對液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說，起動(dòng)、關(guān)機(jī)過程堪比“生死關(guān)”，而補(bǔ)燃循環(huán)500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，更是難上加難，不僅需要各部組件起動(dòng)的先后順序、時(shí)間間隔非常精確，團(tuán)隊(duì)還面臨著一項(xiàng)前所未有的考驗(yàn)——強(qiáng)大的起動(dòng)沖擊。

“起動(dòng)沖擊是指發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火瞬間產(chǎn)生的壓力峰對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的沖擊?！敝魅卧O(shè)計(jì)師馬冬英介紹，“幾百毫秒內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力從0攀升到超過5000千牛，巨大的沖擊和震動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)?！睘榱私鉀Q這個(gè)問題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分級(jí)起動(dòng)的方案，通過精準(zhǔn)控制推進(jìn)劑的流量，確保發(fā)動(dòng)機(jī)可靠點(diǎn)火后，使推力逐步攀升，最終達(dá)到額定狀態(tài)。

此次整機(jī)試車，驗(yàn)證了分級(jí)起動(dòng)技術(shù)，標(biāo)志著我國在火箭主動(dòng)力的起動(dòng)控制上，創(chuàng)造了國內(nèi)第一，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

大跨越：大塊頭有大智慧

500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是大力士，更是大塊頭。發(fā)動(dòng)機(jī)長約3.3米，寬約3米，高約4.3米，現(xiàn)役120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)在它面前就是小弟，而配套長征二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)系列火箭的常溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就顯得更袖珍了，不到500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的1/2。

閥門研究室主任設(shè)計(jì)師陳維宇形象地描述著：“500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)液氧管路直徑近500毫米，和成年人的大腿一般粗，液氧主閥更是比一個(gè)足球還大，每秒流過液氧主閥的液氧達(dá)到了1噸以上，是世界上用在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上流量最大的液氧閥門。”時(shí)鐘每滴答一聲，就有超過1噸的液氧流經(jīng)液氧主閥，與燃油在燃?xì)獍l(fā)生器燃燒，產(chǎn)生燃?xì)獯祫?dòng)渦輪，帶動(dòng)泵為液氧和煤油增壓，最終在推力室完成燃燒產(chǎn)生推力。

“能駕馭這一系列復(fù)雜過程的，都是些大家伙?！蓖屏κ已芯渴腋敝魅伪R鋼介紹。除了世界上流量最大的液氧閥門，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還有著世界上流量最大的燃?xì)獍l(fā)生器、高壓補(bǔ)燃推力室。而推力室內(nèi)燃?xì)獾暮诵臏囟?，達(dá)到了驚人的3000℃以上?！斑@是屬于補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的火熱心臟?！北R鋼說。

500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)四肢發(fā)達(dá)，“頭腦”卻不簡單。這個(gè)大塊頭，同時(shí)也是一臺(tái)“智慧發(fā)動(dòng)機(jī)”。

據(jù)重型發(fā)動(dòng)機(jī)總體室副主任張曉光和電氣系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師魏京芳介紹，由于采用了先進(jìn)的機(jī)電伺服控制技術(shù)，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具備大范圍、高精度、快速調(diào)節(jié)推力能力，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還獨(dú)創(chuàng)了“數(shù)字控制三余度、功率驅(qū)動(dòng)雙余度”的驅(qū)動(dòng)控制方案，以及“系統(tǒng)功能失效安全”的故障保護(hù)策略，進(jìn)一步保證了發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制的可靠性。

起飛前，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可對自身狀態(tài)進(jìn)行健康診斷，確認(rèn)狀態(tài)正常后，快速轉(zhuǎn)入額定工況實(shí)現(xiàn)起飛。飛行過程采用在線實(shí)時(shí)健康診斷技術(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行健康監(jiān)測，及時(shí)向總體“匯報(bào)”發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，可關(guān)閉故障發(fā)動(dòng)機(jī)，由總體根據(jù)任務(wù)需求下達(dá)指令，調(diào)節(jié)其他發(fā)動(dòng)機(jī)推力，重新優(yōu)化彈道，實(shí)現(xiàn)彈道重構(gòu)，將載荷送至目標(biāo)軌道，從而極大提高火箭飛行的可靠性。

此外，團(tuán)隊(duì)還提出基于泵位移突變檢測的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵故障監(jiān)控方案，有效解決了大推力發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸向力特性預(yù)示困難、位移傳感器易故障等造成的誤檢和漏檢等難題?！笆菄鴥?nèi)首次，更是國際首次。”主任設(shè)計(jì)師蒲星星自豪地說，“我們的‘智慧發(fā)動(dòng)機(jī)’不僅能適配‘智慧火箭’，如果再加上多次點(diǎn)火等功能，發(fā)動(dòng)機(jī)還可拓展應(yīng)用至可重復(fù)使用領(lǐng)域，滿足更多任務(wù)需求。”

新紀(jì)元：首次實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化三維協(xié)同設(shè)計(jì)

三維設(shè)計(jì)是未來機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。航天六院順應(yīng)國家推進(jìn)革新數(shù)字化模式的潮流，決策在重型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中率先采用全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。

“從接口協(xié)調(diào)、組件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)必須全部實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。作為第一個(gè)‘吃螃蟹’的研制團(tuán)隊(duì)，我們深感舉步維艱?！敝匦桶l(fā)動(dòng)機(jī)總體室副主任趙劍和秦紅強(qiáng)回憶著。

副所長高玉閃總結(jié)道：“在研發(fā)模式轉(zhuǎn)型過程中， 整個(gè)團(tuán)隊(duì)迎難而上，擔(dān)起了‘探路者’的責(zé)任——抓總搭建了基于Pro/E+Intralink+Avidm協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，又乘勝追擊，打通了基于TC+NX協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)字化設(shè)計(jì)之路，進(jìn)一步推廣了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)；建立廠所IPT（Integrated ProcessTeam，簡寫為IPT，一種新型組織架構(gòu)模式，譯為綜合進(jìn)程小組）團(tuán)隊(duì)，將協(xié)同理念貫穿三維模型設(shè)計(jì)過程，工藝提前介入研制流程，設(shè)計(jì)與工藝充分交底，減少方案反復(fù)，提高溝通效率；首次將IPT會(huì)簽引入三維模型審簽流程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)執(zhí)行過程全要素的顯性化，提升了圖樣審簽過程完善度，確保設(shè)計(jì)文件、工藝信息的準(zhǔn)確交互和傳遞?！?/p>

同時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理數(shù)字化研制經(jīng)驗(yàn)，牽頭梳理、編寫、發(fā)布了30余項(xiàng)院、所數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步規(guī)范了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化研制流程和方法，促進(jìn)了全三維數(shù)字化研制模式在其他型號(hào)的推廣和應(yīng)用。

基于全數(shù)字化三維模型，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開展了拓?fù)鋬?yōu)化，大幅度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量；首次建立了包含真實(shí)物理特性的發(fā)動(dòng)機(jī)和聯(lián)試裝置全三維數(shù)字樣機(jī)，在研發(fā)過程中，進(jìn)行了各組件多物理場環(huán)境、系統(tǒng)及組件極限偏差、多敏感因素綜合偏差的極限包絡(luò)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)匹配特性等全面的仿真分析，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)；將仿真工作納入研制流程，仿真分析報(bào)告和仿真模型按照編、校、審批進(jìn)行管理，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正校核仿真模型，固化仿真成果，并建立了仿真評估標(biāo)準(zhǔn)。

通過本次整機(jī)試車，全面驗(yàn)證了三維設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)的研發(fā)流程，貫穿“數(shù)字世界多次迭代，物理世界一次成功”的理念，大幅度提高了研制效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體及組件性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

新起點(diǎn)：航天強(qiáng)國建設(shè)進(jìn)入快車道

試車成功那一刻，所長張曉軍感慨道：“500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國航天液體動(dòng)力最高水平的典型代表，整機(jī)試車一次成功是中國航天動(dòng)力發(fā)展史上的大事件，將助推我國由航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)！”

中午的抱龍峪，被久違的陽光籠罩，萬山紅遍，層林盡染，震耳欲聾的發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴戛然而止；緊接著，傳來震耳欲聾的掌聲和歡呼聲。

試車短短數(shù)秒，團(tuán)隊(duì)卻為此付出了十余年。有設(shè)計(jì)員感慨，項(xiàng)目確立之時(shí)，孩子剛出生，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車，孩子已到初二，發(fā)動(dòng)機(jī)像是自己的另一個(gè)孩子。這重達(dá)6噸多的大國重器，究竟傾注了多少心血，只有團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人最清楚。

好在，念念不忘，終有回響。

本文內(nèi)容來自微信公眾號(hào)“西安航天動(dòng)力研究所”，ID：gh_5a8 6cf0ac6f8