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YF-75D液氢液氧发动机

膨胀循环氢氧发动机:我国最先进上面级发动机

2016-11-21 中国航天科技集团六院

伴随着我国新一代运载火箭长征五号的首飞成功,我国新一代高性能上面级膨胀循环氢氧发动机登上了中国航天的历史舞台。

膨胀循环氢氧发动机单机试车

作为芯二级主动力发动机,它采用先进的闭式膨胀循环系统,且可以通过多次启动,助推火箭进入地球转移轨道。发动机工作时间近800秒,是国内工作时间最长的火箭主动力发动机。

长征五号的首飞成功,标志着我国上面级氢氧发动机达到了世界先进水平,实现了重大技术跨越。

它为何成为国际航天研究领域的“热点”

氢氧发动机无毒无污染,燃烧稳定,工作振动量级小,燃烧产物清洁,具有良好的可重复使用性。液氢在化学推进剂中性能最高,是当今世界航天运载器最先进的动力装置,也是航天技术先进性的标志之一。

膨胀循环氢氧发动机具有性能高、系统简单、可靠性高等特点。液氢和液氧燃烧获得的高比冲,比现有常规燃料发动机性能提高近50%。比冲,是发动机研制人员毕生追求的指标,体现化学能转化为动能的效率,直接反映发动机整体性能。而膨胀循环发动机比冲、混合比非常高,这直观地体现了发动机的高性能。

先进运载火箭上面级发动机采用氢氧膨胀循环发动机代表了世界各国新一代运载火箭的技术发展方向。

膨胀循环氢氧发动机单机试车

据查证,世界航天大国一直没有停止对膨胀循环发动机技术研究的步伐,其中美国在几十年的航天活动中,膨胀循环发动机一直在运载火箭上面级动力中占据主导地位,欧、俄、日等航天大国也纷纷研制各自的上面级膨胀循环氢氧发动机。

我国膨胀循环氢氧发动机的首飞成功,使我国成为继美国之后第二个将先进的闭式膨胀循环发动机投入使用的国家。

它的技术先进性究竟在哪?

此次参与首飞的膨胀循环氢氧发动机区别于传统燃气发生器循环发动机和补燃发动机,不存在燃气发生器以及预燃系统等,避免涡轮烧蚀,发动机固有可靠性高,并容易实现推力和混合比的调节,使用灵活。在工作过程中,其全部推进剂都能无损失地燃烧产生推力,性能高,也因此被业内称为“最优动力循环”。截至目前,该型发动机保持了连续30000秒试车成功的记录。

六院11所(京)膨胀循环氢氧发动机研制队伍

发动机在研制过程中,突破了超高转速氢涡轮泵技术、主动引射高空模拟试车技术等为代表的一批具有自主知识产权的先进成果。

发动机氢涡轮泵的额定转速高达65000转/分,是我国目前转速最高的氢涡轮泵。在超高转速氢涡轮泵的研制过程中先后攻克了超高速小通径多级氢泵技术、高效率反力式涡轮技术、超高速氢涡轮泵转子动力学设计、小通径钛合金构件精密铸造和粉末冶金成型技术、以及超高速高DN值超低温轴承技术等。

对于上面级发动机,工作在高空环境中,在地面试验时必须创造一个近似高空条件的环境,使发动机在这个环境中工作,从而进行其性能、起动特性等各种试验,被称为高空模拟试验。膨胀循环氢氧发动机为贮箱压力下自身起动,通过建立主动引射系统,对发动机的点火、起动段及主级段进行主动引射。主动引射系统为国内首次研发的大功率引射系统,该系统的研制成功,标志着我国的试验技术水平和能力上了一个台阶。

据悉,膨胀循环氢氧发动机从2003年开启预先研究,2006年进入正式研制阶段,2015年完成全部研制工作,2016年成功首飞。12年磨一剑,发动机成功首飞标志着我国已全面掌握了高性能氢氧膨胀循环发动机技术,有力提升了我国低温发动机设计、生产和试验能力,带动了我国材料工艺、发动机仿真技术等方面的发展,为后续研制更大推力和更高性能膨胀循环氢氧发动机奠定了基础。( 谭钏)


2016.11


 2016-04-29 中国航天职工之窗

      孙慧娟,现任六院11所(京)型号主任设计师、党支部书记。她是发动机系统专业技术带头人,在氢氧补燃循环、燃气发生器循环、膨胀循环等多型发动机研制中发挥了至关重要作用。

领域拓展的创新先锋

        膨胀循环发动机研制作为国际航天领域前沿项目,技术攻关难度很大。作为膨胀循环发动机的开拓先锋,她结合国内原材料、生产工艺、试验能力发展,策划了膨胀循环发动机连续性发展规划,提出了发动机“三步走”发展路线,形成发动机产品化。

        作为技术负责人,她率先将计算范围宽的非线性分析法引入到氢氧发动机系统分析中,克服了小偏差算法适用范围窄的缺点;她在国内首台膨胀循环发动机研制中,牵头承担了六大关键技术中的三项,并如期突破,提出了富氧关机方案,突破了以往液体火箭发动机富燃关机的模式,开创出液体发动机关机方式的新思路。

型号研制的中流砥柱

      在近20年的工作经历中,孙慧娟以过硬的专业技术能力,成为型号研制中的一枚“定海神针”。面对研制过程中出现的轴承失效、推力室内壁烧蚀等技术瓶颈,以及真空工作时膨胀循环发动机可能存在的各种风险,孙慧娟把自己埋在办公室的图纸堆中,带领团队平均每天工作15小时左右,逐一进行仿真计算,制订地面试验验证和搭载飞行试验验证方案及确定控制措施,逐一解决了各项难题,有效降低了研制和技术风险。尽管膨胀循环发动机启动研制晚于火箭上其它发动机5年以上,但依然按规定时间完成了全部研制任务,将如期参加新一代火箭的首飞。

谦逊亲和的好老师

        孙慧娟在工作中严谨务实,为人谦和。研制队伍年轻人多,她对待缺乏工作经验的设计员们耐心地交流,亲切地鼓励,通过每一个细节向年轻人示范着一个成熟的发动机设计员应有的业务素质。在孙慧娟的带领下,膨胀循环发动机创造了国内氢氧发动机研制以来单台试车时间最长纪录,以及连续3年30000余秒无故障试车纪录。在某重点型号芯二级动力系统试车中发动机工作表现完美,得到上级领导的充分肯定。


航天科技六院101所上面级氢氧发动机试验组:好发动机是“试”出来的

来源:中国航天报     日期:2016/04/14

       好发动机是“试”出来的。发动机地面试验是异常复杂的系统性工程,可以说试验系统的技术先进性、质量可靠性和测控精准性,直接关系着发动机产品投入使用的情况,是火箭完成高密度发射任务的重要保障环节。中国航天科技集团公司六院101所上面级氢氧发动机试验组就是这样一支肩负着发动机最后一道检验重任的队伍。

      2015年,该班组圆满完成两型数次氢氧发动机大型热试车,成功率100%,试验任务成绩创历史新高。在此试验中,该班组开创了两型发动机并行研制交付的新纪录,为保障长征五号运载火箭首飞和长三甲系列火箭高密度连续发射作出了重要贡献。

攻坚克难“硬技术”

        近年来,高密度发射任务繁重而艰巨,新一代运载火箭的研制和首飞进度又十分紧张,而这个班组承担着多型号主力发动机的研制试验任务。

        因此,全体组员以严慎细实的作风,克服种种困难,圆满完成了以长征五号运载火箭芯二级发动机和长三甲系列运载火箭上面级发动机的热试车为代表的试验技术攻关、系统改造及维护等工作。

       2015年,该班组完成了两型氢氧发动机大型热试车。这是国内首次在氢氧发动机上成功进行全尺寸大面积复合材料喷管高空模拟试验,为提高运载火箭未来的整体性能奠定了基础。

      作为我国航天唯一的低温氢氧发动机试验中心的核心班组,该班组在试验系统的设计、建设及开展相关试验技术研究和关键技术攻关的过程中,优化流程,加强现场管理,通过理论研究和工程实践相结合,坚持持续工艺改进和技术提升,最终为我国氢氧发动机研制和批产提供了完整、精准、可靠的试验验证数据和解决方案。

文化凝聚“软实力”

        在圆满完成试验任务的同时,该班组在试验技术研究方面也硕果累累。除了荣获多项奖励外,该班组还申请了国防专利6项、完成编写10余篇国防科技报告、发表10余篇核心期刊论文等。

       班组坚持以发动机试验技术作为人才的培养平台,树立“高效、实用”的人才培养观,近年来培养了多位型号发动机试验指挥员和型号研制骨干力量。

      作为火箭发动机飞天前的最后一个地面试验验证环节,班组始终坚持“技术引领、追求卓越、安全至上、确保成功”的工作方针,为发动机产品发放了一张又一张准予飞天的“通行证”。火箭首飞的倒计时和一飞冲天的捷报背后,都凝聚着班组的智慧、心血和汗水,该班组也用行动支撑着我国氢氧发动机试验技术傲然挺立于世界前沿。(马虹)


2015年7月,航天科技六院101所


2014年11月,珠海航展

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