以重型之力，夯强国之基

王盈

2022年11月5日，深秋的秦岭五彩斑斓。在这最美的时候，身处山中，却没人有心思赏景。随着“点火”指令发出，前所未有的强大能量撼动着整个抱龙峪试验区，500吨级液氧煤油发动机首次整机试车在此进行。从发动机推力室喷射出的熊熊火焰，将导流槽中的冷却水升腾成云雾般的水汽，萦绕山间。

平稳工作一段时间后，发动机顺利关机，巨龙咆哮仍回荡在耳边，测控大厅响起热烈掌声，宣告着目前我国推力最大的液体火箭发动机，也是世界上推力最大的双喷管补燃循环液体火箭发动机，取得研制历程中里程碑式的突破。

强劲动力：为逐梦太空提供更多可能

回顾美国和俄罗斯的航天发展历程，液氧煤油发动机以其高密度比冲、无毒环保、使用成本低等优点，广泛应用于运载火箭和航天飞行器，是运载火箭主动力的理想选择。

我国从长征六号首飞开始，将120吨级液氧煤油发动机应用于新一代运载火箭的主动力，在近10年数十次的飞行中，发动机以超过百台交付飞行产品全胜战绩，助力探火、探月、空间站建设等重大工程任务，书写了新一代“金牌动力”高可靠性的传奇。

重型运载火箭副總设计师陈晖介绍，500吨级液氧煤油发动机是目前国内推力最大的液体火箭发动机，“相比现役120吨级液氧煤油发动机，推力提高3倍，海平面比冲提高2.7%，推重比提高22%，综合性能达到世界先进水平，可应用于大型、重型运载火箭，为满足中国月球科考站建设、深空探测等航天活动，提供强劲的主动力选择，进一步拓展和丰富了航天液体动力产品谱系”。

纵观世界航天史，单看推力指标，尚有珠玉在前。

20世纪60年代，美国研制了680吨级推力开式循环的F-1液氧煤油发动机；20世纪70—80年代，苏联在大推力高压补燃循环液氧煤油发动机技术方面取得突出成就，成功研制了740吨级推力的RD-170发动机。“但作为世界上推力最大的双推力室液氧煤油发动机，综合推力、比冲、推重比等多个指标来看，500吨级液氧煤油发动机的综合性能，已达到世界一流水平。”陈晖说，“同时，发动机采用了泵后摇摆布局方案，填补了国内空白。”

发动机的推力有多大，航天事业的舞台就有多大。F-1液氧煤油发动机作为土星五号重型运载火箭的主动力，托举着人类成功迈出了载人登月的历史步伐；RD-170发动机为能源号和天顶号等运载火箭提供了强大动力，造就了航天史上的一代传奇。

陈晖说：“500吨液氧煤油发动机的研制，可为我国未来重型运载火箭提供强大动力，也可应用于多种构型的大型和中型运载火箭，为大幅度提升我国进入空间的能力，提供强大的动力基础。”

创新超越：实现多个国内首次

据重型发动机总体室主任邢理想、涡轮泵研究室主任许开富介绍，团队在500吨级液氧煤油发动机上实现了多个国内首次：自身分级起动、多喷管泵后摇摆、起动关机和工况调节机电一体化控制技术、圆管式扩压器……“可以说，它代表着我国液体火箭主发动机技术水平有了阶跃式提升，有力拉动相关工业技术发展。”邢理想说。

首屈一指的关键技术，在于泵后摇摆。所谓泵后摇摆，是指将摇摆装置后置，使发动机在飞行过程中仅摇摆推力室部分就可实现推力矢量变化。相比于传统方案，能够有效减小发动机尺寸、减轻发动机结构重量、降低摇摆力矩。

不仅如此，泵后摆发动机减小了发动机轮廓尺寸和重量，在箭体中需求空间减少，可以在不增加箭体直径的基础上增加发动机的数量，提高火箭的有效载荷；降低了摇摆力矩，改善了使用维护性，推力得到提升的同时，可靠性更高。

“发动机摇摆的关键在于运动装置，运动装置的核心在于耐高温高压波纹管技术——这是一项之前世界上没人能啃下的‘硬骨头’。”主任设计师杨飒说，“在超过600 千克/ 秒的大燃气流量和高达500℃的富氧燃气温度下，耐高温高压波纹管既要动作灵活，又要工作可靠、‘指哪打哪’，还要保证其强度和寿命，实属‘鱼和熊掌必须兼得’的要求。”

研制团队通过细致分析，联合高校开展攻关，历经10多年，最终掌握具有完全自主知识产权的关键技术，攻克这项世界级难题。

对液体火箭发动机来说，起动、关机过程堪比“生死关”，而补燃循环500吨级液氧煤油发动机的起动，更是难上加难，不仅需要各部组件起动的先后顺序、时间间隔非常精确，团队还面临着一项前所未有的考验——强大的起动冲击。

“起动冲击是指发动机在点火瞬间产生的压力峰对发动机结构的冲击。”主任设计师马冬英介绍，“几百毫秒内，发动机推力从0攀升到超过5000千牛，巨大的冲击和震动，会严重影响发动机的结构状态。”为了解决这个问题，团队设计了分级起动的方案，通过精准控制推进剂的流量，确保发动机可靠点火后，使推力逐步攀升，最终达到额定状态。

此次整机试车，验证了分级起动技术，标志着我国在火箭主动力的起动控制上，创造了国内第一，达到了国际先进水平。

大跨越：大块头有大智慧

500吨级液氧煤油发动机不仅是大力士，更是大块头。发动机长约3.3米，宽约3米，高约4.3米，现役120吨液氧煤油发动机在它面前就是小弟，而配套长征二号、三号、四号系列火箭的常温推进剂火箭发动机就显得更袖珍了，不到500吨级液氧煤油发动机的1/2。

阀门研究室主任设计师陈维宇形象地描述着：“500吨级液氧煤油发动机液氧管路直径近500毫米，和成年人的大腿一般粗，液氧主阀更是比一个足球还大，每秒流过液氧主阀的液氧达到了1吨以上，是世界上用在火箭发动机上流量最大的液氧阀门。”时钟每滴答一声，就有超过1吨的液氧流经液氧主阀，与燃油在燃气发生器燃烧，产生燃气吹动涡轮，带动泵为液氧和煤油增压，最终在推力室完成燃烧产生推力。

“能驾驭这一系列复杂过程的，都是些大家伙。”推力室研究室副主任卢钢介绍。除了世界上流量最大的液氧阀门，500吨级液氧煤油发动机还有着世界上流量最大的燃气发生器、高压补燃推力室。而推力室内燃气的核心温度，达到了惊人的3000℃以上。“这是属于补燃发动机的火热心脏。”卢钢说。

500吨级液氧煤油发动机四肢发达，“头脑”却不简单。这个大块头，同时也是一台“智慧发动机”。

據重型发动机总体室副主任张晓光和电气系统主任设计师魏京芳介绍，由于采用了先进的机电伺服控制技术，500吨级液氧煤油发动机具备大范围、高精度、快速调节推力能力，设计团队还独创了“数字控制三余度、功率驱动双余度”的驱动控制方案，以及“系统功能失效安全”的故障保护策略，进一步保证了发动机调节控制的可靠性。

起飞前，500吨级液氧煤油发动机可对自身状态进行健康诊断，确认状态正常后，快速转入额定工况实现起飞。飞行过程采用在线实时健康诊断技术，实时进行健康监测，及时向总体“汇报”发动机工作状态，一旦出现异常，可关闭故障发动机，由总体根据任务需求下达指令，调节其他发动机推力，重新优化弹道，实现弹道重构，将载荷送至目标轨道，从而极大提高火箭飞行的可靠性。

此外，团队还提出基于泵位移突变检测的发动机涡轮泵故障监控方案，有效解决了大推力发动机涡轮泵轴向力特性预示困难、位移传感器易故障等造成的误检和漏检等难题。“是国内首次，更是国际首次。”主任设计师蒲星星自豪地说，“我们的‘智慧发动机’不仅能适配‘智慧火箭’，如果再加上多次点火等功能，发动机还可拓展应用至可重复使用领域，满足更多任务需求。”

新纪元：首次实现全数字化三维协同设计

三维设计是未来机械产品发展的趋势。航天六院顺应国家推进革新数字化模式的潮流，决策在重型液氧煤油发动机的研制中率先采用全三维数字化设计。

“从接口协调、组件设计到整机设计，500吨级液氧煤油发动机必须全部实现三维设计。作为第一个‘吃螃蟹’的研制团队，我们深感举步维艰。”重型发动机总体室副主任赵剑和秦红强回忆着。

副所长高玉闪总结道：“在研发模式转型过程中， 整个团队迎难而上，担起了‘探路者’的责任——抓总搭建了基于Pro/E+Intralink+Avidm协同设计平台，又乘胜追击，打通了基于TC+NX协同设计平台的数字化设计之路，进一步推广了液体火箭发动机数字化协同设计；建立厂所IPT（Integrated ProcessTeam，简写为IPT，一种新型组织架构模式，译为综合进程小组）团队，将协同理念贯穿三维模型设计过程，工艺提前介入研制流程，设计与工艺充分交底，减少方案反复，提高沟通效率；首次将IPT会签引入三维模型审签流程，实现了设计执行过程全要素的显性化，提升了图样审签过程完善度，确保设计文件、工艺信息的准确交互和传递。”

同时，设计团队系统梳理数字化研制经验，牵头梳理、编写、发布了30余项院、所数字化标准，进一步规范了液体火箭发动机数字化研制流程和方法，促进了全三维数字化研制模式在其他型号的推广和应用。

基于全数字化三维模型，设计团队开展了拓扑优化，大幅度减轻发动机重量；首次建立了包含真实物理特性的发动机和联试装置全三维数字样机，在研发过程中，进行了各组件多物理场环境、系统及组件极限偏差、多敏感因素综合偏差的极限包络、发动机系统级匹配特性等全面的仿真分析，降低试验风险；将仿真工作纳入研制流程，仿真分析报告和仿真模型按照编、校、审批进行管理，通过试验数据进一步修正校核仿真模型，固化仿真成果，并建立了仿真评估标准。

通过本次整机试车，全面验证了三维设计、生产、试验的研发流程，贯穿“数字世界多次迭代，物理世界一次成功”的理念，大幅度提高了研制效率，使发动机总体及组件性能达到国际先进水平。

新起点：航天强国建设进入快车道

试车成功那一刻，所长张晓军感慨道：“500吨级液氧煤油发动机，是我国航天液体动力最高水平的典型代表，整机试车一次成功是中国航天动力发展史上的大事件，将助推我国由航天大国向航天强国迈进！”

中午的抱龙峪，被久违的阳光笼罩，万山红遍，层林尽染，震耳欲聋的发动机轰鸣戛然而止；紧接着，传来震耳欲聋的掌声和欢呼声。

试车短短数秒，团队却为此付出了十余年。有设计员感慨，项目确立之时，孩子刚出生，发动机整机试车，孩子已到初二，发动机像是自己的另一个孩子。这重达6吨多的大国重器，究竟倾注了多少心血，只有团队中的每个人最清楚。

好在，念念不忘，终有回响。

本文内容来自微信公众号“西安航天动力研究所”，ID：gh_5a8 6cf0ac6f8