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YF-100液氧煤油发动机:1200千牛泵后摆发动机整机研制

上海有机所几代人通过200余次试验研制成功 “长征五号”采用上海技术“点火”

发布时间:2016-11-09

  11月3日,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。4日,中科院上海有机化学研究所收到中国航天六院11所贺信,贺信中说:“贵单位研制的点火剂为长征五号运载火箭发动机(液氧煤油高压补燃发动机)的顺利研制奠定了坚实基础。”

  据上海有机所研究员杨军介绍,液氧煤油点火剂是航天用液氧/煤油高压补燃发动机用关键材料之一,而此次长征五号发射采用了4台液氧煤油与1台液氢液氧发动机组合作为一级发动机。由于长征五、六、七号运载火箭均应用了新型绿色环保的液氧/煤油的双组元推进剂,替换了此前所用的有毒的“一甲基肼/四氧化二氮”推进剂,在提高发动机动力的同时也带来了推进剂不能自燃点火的问题。研制以三乙基硼为主的点火剂的课题由此提出,因为三乙基硼与液氧相遇可以迅速自燃,所形成的火焰及高温可进一步带动发动机主要燃料煤油与氧化剂-液氧的混合燃烧,使4台液氧煤油发动机稳定工作。

  上世纪60年代上海有机所就开始研究有机硼化学,从而积累了有机硼化学研究的坚实基础。1995年,上海有机所以国家使命为己任,承接了火箭发动机点火剂研制任务。在邓敏智研究员的带领下,研究团队克服国外技术封锁造成的困难,首先设计了一套专用的反应器与一套专用的纯化装置,完成了新型点火剂的百克级制备、灌装与贮运技术,提前实现了点火剂的供货。

  此后,在张高益、吕诚炎、郑玉梅、杜恒、杨军、严政军、王琳、刘煜等科研人员配合下,经过200余次的反应与生产工艺条件优化试验,先后突破了百克级、公斤级、十公斤级和百公斤级点火剂的安全合成、纯化、制配与灌装的关键技术,最终获得了合成收率高、工艺较安全、纯度高的点火剂技术及产品。著名液体火箭发动机专家张贵田院士在项目验收会上评价说:“液氧煤油发动机的顺利研制,上海有机所功不可没。”

  以三乙基硼为主的点火剂是一种危险化学品,其遇氧燃烧、遇水易爆,在研制与生产过程中安全隐患很大。研制过程中,点火剂的“跑、冒、滴、漏”都会使整体装置处在危险的火苗、火焰之中,而反应体系“倒吸”则有可能引发爆炸。在特种防爆实验室中,科研人员利用简陋的实验条件,通过娴熟的实验技能不断地优化反应条件,发现并逐个消除试验过程中的隐患,一步一步把反应的工艺条件优化至成熟。尽管如此,试验中仍常有小的意外发生,有一次,一位新职工在合成点火剂时,反应瓶中点火剂因蒸汽压过高而冲开密封管,试验装置上方当即形成一个大火球。邓敏智研究员来不及拿出防火毯,也来不及带上手套,用两只手握住泄漏的密封管。火苗被压下了,实验装置保住了,但邓敏智研究员的右手被严重烧伤。

  目前,杨军研究员与课题组同事还在继续研究更大推力的新型火箭发动机的点火剂及相应点火技术,为研制更高性能火箭发动机提供新技术与新材料。(作者 王阳)


       2016年4月25日, 120吨液氧煤油发动机500秒摇摆抽检试车取得圆满成功。CZ-5运载火箭总指挥王珏、六院副院长栾希亭等现场指导。试车考核了发动机热摇摆试车的工作协调性和可靠性,为后续的飞行交付奠定基础。


        2016年2月24日,农历春节后首台120吨液氧煤油发动机可靠性增长试车圆满成功,再次验证了发动机的可靠性和靶场发射任务流程适应性,标志着液氧煤油发动机发射任务剖面使用维护适应性迈上新台阶,为今年新一代长征七号和长征五号运载火箭首飞奠定了坚实基础。 

 

      2015年度科技创新团队——来自航天六院液氧煤油发动机研制团队的科技委主任、中国工程院院士张贵田、11所所长李斌、7103厂国家特级技师曹玉玺、165所发动机试验室主任郭立,作为团队代表上台领奖。中国工程院院长周济为第一个上台领奖的液氧煤油发动机研制团队代表颁奖。


航天科技集团六院11所发动机泵后摆技术实现突破 

        本报讯 近日,航天科技集团六院11所1200千牛液氧煤油发动机燃气摇摆装置热试验顺利完成,各项性能指标满足系统设计要求,标志着该改进型发动机泵后摆关键技术取得重大突破。

        据悉,该所科研人员同时攻克了摇摆软管的设计与成型等四大关键技术,有效地解决了发动机摇摆质量偏心等难题,降低了发动机摇摆力矩,优化了箭体布局方案,改善了发动机的使用维护性能,为1200千牛泵后摆发动机整机研制提供了重要支撑。

        该技术代表着大推力液体火箭发动机的发展趋势,同时也为其他型号发动机的研制奠定了良好的技术基础。(崔肖萌 龚南妮)


        近日,中国钢研科技集团有限公司收到一封来自中国航天六院十一所的贺信,信中对单位及参与发动机材料研制的科技人员和员工表示祝贺和感谢,感谢他们为新一代运载火箭发动机研制了多种新材料,为新一代火箭的研制奠定了坚实基础。并且表示希望在今后发动机的研制中继续合作,为我国航天事业做出新的贡献。

         液氧/煤油高压补燃发动机是国际先进的无毒无污染且高效经济的火箭发动机,所采用的多种高温合金和高强马氏体不锈钢等关键材料和核心部件均由总院特钢所和钢研高纳研制。
         钢铁研究总院特钢所主要负责制作氧泵壳体的高强马氏体不锈钢的研发,S系列七种高强不锈钢(包括变形合金及铸造合金)属发动机主体材料,占发动机总重量的一半以上。S系列材料历经“九五”期间国家军品配套科研项目的设计研发、“十一五”期间大运载专题项目的工程化技术研究,现已实现了由科研成果到稳定产品的转化。
         钢研高纳主要负责制作涡轮盘及大部分热端部件的高温合金材料的研制。
         该发动机项目自2000年国家正式立项进入工程研制阶段,三大难题就摆在了课题组面前,一是材料问题,二是制造问题,三是焊接问题。
          高温所课题组从机理着手,对合金在富氧燃气介质中的行为进行了深入细致的研究,形成了液氧/煤油发动机选材的基础理论。在此基础上,成功发明了专利合金,解决了合金的富氧抗燃问题。在成分和工艺上进行了大量艰苦细致的研究,变形合金课题组改善了材料大锭锻造的塑性和大型复杂铸件的铸造难题,成功试制出了全部高温合金部件。


长征六号发动机:航天新动力 中国新高度

2015年09月20日

  中新网西安9月20日电 (杨军 朱怡蓝)地处西安航天基地的中国航天科技集团六院研制的液氧煤油发动机,填补了中国补燃循环发动机的技术空白,使中国航天动力进入绿色环保新时代。

  中国成为继前苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家,同时,长征六号也开创了中国发动机领域的多个第一。

  航天新动力:“新”在哪里

  一是新在廉价环保。绿色环保是液氧煤油发动机的一大特点,实现了中国火箭动力从常规至绿色无毒的巨大跨越。

  在新一代发动机研究之初,就决定选择无毒的液氧和烃类推进剂,研制人员通过比较煤油、甲烷和丙烷等几种推进剂,确定了代表技术发展趋势的液氧煤油作为推进剂。然而,火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点,经过努力,中国研制出了国产的火箭煤油。

  同时,液氧煤油发动机推进剂具有来源广泛、价格低廉的优点,平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级。以发射神舟飞船的CZ-2F火箭为例,如果采用液氧煤油,每次发射可以节约推进剂费用上千万元。

  二是新在集多项新技术于一身。液氧煤油发动机突破了高压补燃关键技术80余项,其中,最为突出的是以下7项新技术:

  先进的补燃循环技术:液氧煤油发动机采用补燃循环是一种闭式循环,可以使全部推进剂的化学能得到充分释放,提高了发动机的性能。所谓补燃循环,是燃气经涡轮做功后进入燃烧室进行二次燃烧(补燃),从而更充分地利用推进剂的能量。相对发生气循环来说,补燃循环方式的综合效率更高,但结构较为复杂,设计难度大。

  先进的自身起动技术:补燃发动机首先要解决自身起动这一难题。中国以往的发动机需要依靠专门的火药起动器等装置,而液氧煤油发动机实现了自身起动,二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。

  大范围推力调节技术:为了提高运载火箭的性能和适应性,液氧煤油发动机具有大范围推力调节能力,如同自动档的汽车,可以实现无级变速。对于载人航天来说,通过推力调节可以有效降低火箭飞行中的加速度,提高航天员的舒适度,降低对航天员的体能要求,使普通人也有望遨游太空。

  先进的高效燃烧技术:在空间很小的腔体内完成推进剂的高效燃烧,是液体火箭发动机技术诀窍。液氧煤油发动机燃烧腔体较小,而燃烧效率达到98%以上。

  高压大功率的涡轮泵技术:涡轮泵是发动机的动力源泉,被称为发动机的心脏。液氧煤油发动机的泵产生的最高压强达到500个大气压,相当于把上海的海水打到5000米的青藏高原。

  多次试车技术:液氧煤油发动机具有多次工作的能力,发动机生产出来后可以进行试车考核,通过“磨合”试验后重新校准、检查,合格后再交付使用,使发动机的精确度和可靠性得到保证。同时,可以在此技术基础上研制重复使用的发动机,使运载火箭能像实现天地往返的可重复飞行。

  先进的试验技术:为了保证液氧煤油发动机的研制,中国航天科技集团公司六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室,为中国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。

  三是新在用途广泛。液氧煤油发动机可以通过发动机台数的模块化组合,形成低轨道10—25吨、太阳同步轨道5—15吨、地球同步转移轨道6—13吨的运载能力,与国外最先进的“阿里安5”、“宇宙神5”、“德尔塔4”以及正在研制的“安加拉”运载火箭处于同一水平。

  同时,液氧煤油发动机还能替换现役火箭发动机,不仅能实现现役火箭的绿色环保,还能大幅提升火箭的运载能力。以CZ-2F火箭为例,其下面级采用的常规推进剂8台发动机,运载能力约为9吨,如果换成液氧煤油发动机,只需要6台就能将运载能力提升到13.5吨。

  四是新在促进技术发展。液氧煤油发动机材料新,技术新,基于国内当时的工业基础,都无法找到相应的材料。通过发动机的研制,中国突破并掌握了多项新工艺和新材料,研制开发了近50种新材料,突破了30多项关键工艺。

  中国新高度,“高”在何处?

  随着长征六号运载火箭一飞冲天,中国航天动力不仅进入了绿色无毒时代,也将中国航天动力推上了新高度。

  长六火箭的动力系统,使用的是中国航天科技集团六院研制的两型液氧煤油发动机,在长六火箭一级采用了一台120吨液氧煤油发动机,在火箭二级,使用的是一台18吨液氧煤油发动机。

  中国现役火箭发动机的单台推力在70吨左右,120吨液氧煤油发动机的诞生,一举将中国火箭发动机单台推力提升了60%,这将极大提升中国进入空间的能力。

  除了长六火箭以外,中国新一代运载火箭家族中的长征五号,长征七号也将使用120吨的液氧煤油发动机,“120吨级液氧煤油发动机的研制成功,将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定坚实的基础。”六院院长谭永华表示,“发展航天,动力先行,液氧煤油发动机将推动我国加快由航天大国迈向航天强国的步伐。”(完)


燃气摇摆装置首轮热试圆满成功 泵后摆技术实现新突破

        近日,1200kN液氧煤油发动机燃气摇摆装置热试验在抱龙峪试验区顺利完成。试车全过程燃气摇摆装置工作正常,系统参数正常,试车取得圆满成功。

        泵后摆技术是液氧煤油发动机的一项关键技术。该方案可有效地减小发动机尺寸、重量,降低摇摆力矩,改善发动机的使用维护性能,具有明显优势,为实现泵后摇摆,需要突破高温高压燃气摇摆装置技术,在燃气摇摆装置两次热试考核中,各项性能达到指标要求,验证了燃气摇摆装置方案的可行性,标志着1200kN液氧煤油发动机泵后摆技术实现新的突破。

      为确保试车可靠进行,各单位通力合作。在试验准备阶段,试验队连续奋战多日,对燃气摇摆试验装置进行了多轮细致的检查,对试车风险进行了详尽的分析,克服了种种困难。

      试车当天,总装动力专家组冯吉才、研究员洪鑫在所长李斌陪同下亲临试验现场观摩指导。


      日前,航天科技六院7103厂34车间集团公司二期首批重大工艺研究项目《复杂结构壳体类零件型壳自动化制造技术研究》完成了小批量氧泵低压壳体型壳的机器人自动化制壳工作。突破了大型复杂三维曲面氧泵低压壳体自动化制壳技术,实现了模组自动化沾浆、控浆的均匀化与自动化淋砂。车间向生产自动化迈进了坚实的一步。

       此外,由西安航天发动机厂承担的集团公司共性工艺研究项目——《高强不锈钢精密铸件振动光整强化技术研究》,是以120吨液氧煤油发动机氧泵低压壳体和离心轮为主要研究对象,现已完成了研磨磨料、化学助剂组合配比的工艺试验及参数选择条件确定工作,并已摸索出了壳体类、轮类两种结构类型的振动光整均匀化控制工艺参数。西安航天发动机厂还于近日首次完成了常规运载发动机涡轮泵装配质量数据的采集工作,这标志着涡轮泵装配首次实现了电子化和数字化。


YF-100液氧煤油发动机研制初期,连续4次发动机试车失败。2次启动爆炸,2次燃气系统烧毁。 

其中的两次试车爆炸


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