中国运载火箭发动机发展历程及未来展望

李苗苗

63601部队 甘肃 酒泉 732750

引言

近年来,随着火箭技术的广泛应用,不少有实力的企业投身运载火箭的研制和试验。我国主要探讨载人运载火箭发展特点及趋势,载人深空探测任务初步分析及载人运载火箭升级需求。我国新型载人运载火箭的发展对新一代载人运载火箭提出了一些建议。根据国内外载人运载火箭的研制经验,建议充分利用现有发动机和新一代运载火箭的技术成果,全过程贯彻安全设计原则,采用先进的设计理念、设计方法和开发模式。

一、中国运载火箭发动机开发中存在的问题

上世纪六十年代,国际环境发生巨变,中国“腹背受敌”,内忧外患。社会主义建设事业面临史无前例的巨大挑战,国家安全也受到重大威胁。新中国成立仅有十年左右额时间,我们的工业基础依然薄弱,技术水平严重落后,党和国家领导人在经过深思熟虑后做出重大决策——集中力量发展核工业,打破前苏联和美国的核威胁,保护中国国家安全和社会主义事业,维护中国人民利益。从此,中国开始了艰难的“两弹事业”。国内外科学家响应国家号召,积极回国献身中国国防事业和航天事业。在人才回归的基础上,我国的航天事业逐步建立起来。40年来,我国自主研制了长征系列运载火箭,4个系列12型,发射了多种国产卫星,建造载人飞船“神舟”号。中国火箭发动机的发展为我国国防现代化和航天工业现代化做出了巨大贡献。虽然中国的火箭发动机技术发展迅速,但与世界先进水平仍有很大差距。这主要体现在:

发动机研发创新能力不足。在航天工业领域,美俄两国处于世界领先水平,从开始提出的化学动力循环和“项目”,再到后来的发电机循环、高压补燃循环、全流补燃循环、膨胀循环等,这些先进的技术理念是他们走向更强航天事业的基础。最近,他们开始研讨先进的发动机解决方案,例如:电力推进发动机、脉冲爆震发动机、核火箭发动机和联合循环发动机等。在发动机关键部件的研究中,他们相继研发了新型高效喷油器、高效时钟、高级涡轮泵、控制器等;在化学火箭发动机推进剂方面,已从常温II-III型储存、低温高性能,到人工改进推进剂。经过一系类的改革与实验,美、俄、法、德等国家的火箭推进剂已发展成为世界最高水平的一流新型的推进剂。对比我国火箭发动机技术,才开始引进新的研究内容。一些用于高压辅助内燃机和电推进发动机研制的关键技术基本都是国外采用的成熟技术,在发动机技术上一直处于被动地位,可以说是一直是跟着别人的步伐走。

二、中国运载火箭电动机

1.发动机推力脉动载荷的识别

建立了运载火箭飞行状态的有限元力学模型。为了简化计算,假设发动机的推力脉动只引起运载火箭结构推力方向的响应(即不考虑火箭体的横向响应)。为了减少空气动力学和噪声对识别精度的影响,火箭机身模型选择的第二状态接近火箭第一级的末端(更高的飞行高度)。由于所识别的发动机脉动推力尚无理论验证数据,为了进一步通过多自由度模型、少量测点、模态截断等工程方法验证载荷识别的准确性,本文论文首先使用NASTRAN有限元程序和全火箭有限元模型计算给定随机激励下的响应,然后根据遥测点对应节点的响应识别载荷。结果表明,采用前6个模态和5个测点可以准确识别激励载荷,但模态截止频率应大于外力频率的1.25倍。为了识别发动机推力脉动,使用了在运载火箭飞行过程中布置的五个低频振动遥测点。由于传感器的低频响应特性和高频噪声干扰,在识别负载之前对测量数据进行过滤。识别程序使用整个箭头的前六个模态参数。在保证有限元前6个模态参数精度的情况下,可以保证模态截止频率内激励载荷分布的识别精度。

2.引擎3D打印技术

三维打印技术是近年来新起的一种新兴的制造技术,它的发展非常快。是使用粉末金属或塑料等可粘合材料,逐层印刷构建物体。而火箭电动机则是基于碳复合材料。主要用于向国际空间站发射有效载荷。但它的发射成本很高,大概在490万美元左右。火箭的鲜明特征是革命性的发动机设计——第一级使用九台小型液体推进发动机,第二级和第一级使用相同。它们也都采用3D打印技术。阀门、喷油器、泵和发动机舱等主要部件均采用3D打印,整个打印过程仅需24小时。如果用传统方法制造燃料和氧化剂,从推进剂罐流到燃料和氧化剂泵需要长达一个月的时间。

由时间电机驱动的泵是推进剂的助推器。不同的是,在到达燃烧室之前,它首先通过车身冷却通道进行热交换。基于3D打印技术和电驱动,“卢瑟福”发动机的效率可达95%,符合航空航天未来低成本、高成本、可靠、快速响应的发展方向。

3.电动火箭发动机

人们根据工作介质的加速方式不同,将电动火箭发动机可分为三种:第一是电动火箭发动机、其次是静电火箭发动机,最后是电磁火箭发动机。电动火箭发动机的工作原理是通过电能加热(电阻加热或电弧加热)工质(氢、胺、肼等)使其气化,然后喷管膨胀加速后从喷管排出,最终产生推力。静电火箭发动机的工作原理是把工作介质(汞、铯、氢等)从储罐输入电离室,使其电离产生离子,在电极的作用下加速成高速离子流静电场产生推力。电磁火箭发动机工作原理是利用电磁场加速电离工作介质产生射流并形成推力。在这三者中,电动火箭发动机具有很高的比冲(700～2500秒),且使用寿命长(可重启数万次,工作数万小时)。因为它产生的推力小于10牛顿。所以这种发动机只适用于航天器的姿态控制和位置保持。

三、我国大推力固体火箭发动机发展趋势

我国大推力固体增压发动机的技术基础逐步拓宽,研究保障条件不断完善,研制时间趋于成熟。经过多年的发展建设,我国固体火箭发动机已形成了设计、研制、生产和试验不同系列固体火箭发动机的能力。从研制能力来看,我国目前已经具备了直径2.25米、装药100吨以下大型固体发动机的研制、生产和试验能力。在此基础上,结合后续发展形势,到“十二五”时期,大型固体火箭发动机研制能力拥有了500吨推力。我们要发挥固体发动机技术传承优势,依靠现有条件基础,研制千吨级大型固体助推器。突破重大技术瓶颈。在研制过程中产生的的主要问题是不具备建立大型固体发动机研制的配套条件,但我国有相关的生产基础。我国大推力火箭发动机技术取得重大突破,但与国外顶级发动机相比仍有较大差距。

1990年以后,我国航天事业的主攻方向集中在载人航天(神舟、天宫系列)领域。长期以来,液体火箭发动机主要以四氧化二氮和偏二甲肼燃料为动力原料,发动机的最大对地推力一直徘徊在70吨左右。关于氢氧机,几乎不能在大液氢温区固定制冷机组,煤油机几十年来也一直没有产生新火箭的模型。因此,我们和美国、俄罗斯的差距依然很大,是日本和欧洲的100吨产品。尽管我国掌握了新一代运载火箭的120吨级高压补燃液氧煤油发动机技术,其发射能力有了很大提高。可就在2016年新箭成功发射后,真空推力130吨的煤油发动机yf-100,与半个世纪前的美国690吨的F1和800吨的rd170相比,还有很大差距。在近30

年前的苏联面前;真空推力70吨的氢氧机yf-77与美国14年前真空推力344吨的rs-68相比,也是一个巨大的差距。根据我国航天事业的发展需要,对大推力固体火箭发动机的发展提出以下建议。构建联合创新主体,加快关键技术攻关。进入新时期,推进军民两用是保持固体火箭发动机产业可持续发展、加快推进大型固体火箭发动机关键技术研究的重要途径。大型固体火箭发动机的研制涉及先进复合材料、大型金属零部件、高性能粘结材料、地面试验配套设施等诸多方面。以大型固体火箭发动机研究为导向,吸纳人才,创新实践,促进产学研深度融合,深化推进军民两用,为实现航天强国提供有力支撑。

结语

航天事业的蓬勃发展离不开发动机等关键设备。因此,要突破大/重型运载火箭的核心技术,需要发展大型固体火箭发动机,这是目前跻身航天事业前沿的重要途径。本文主要分析了在发动机研发过程中存在的困难和阻力,对当前主要运载火箭所用大型固体火箭发动机的基本情况进行了简单的分析阐述,总结出了大型固体火箭发动机研制的核心技术,也对发展大型固体火箭发动机提出了可行性建议。