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YF-77液氢液氧发动机

8吨到50吨的跨越——航天科技集团一院211厂大推力氢氧发动机研制记 

日期 : 20170208 作者 : 宁丽红

        2016年11月,长征五号火箭成功首飞,全新研制的芯一级、芯二级发动机圆满完成使命,标志着我国已全面掌握大推力氢氧发动机研制技术,跻身国际先进行列。

        这是我国目前推力最大的新一代运载火箭主动力装置。航天科技集团一院211厂800多名研制人员,15年风雨兼程,实现了火箭推力由8吨到50吨的跨越。

        与氢氧发动机的不解情缘

        从8吨到50吨,中国向航天强国跨进了一大步。作为国内唯一的氢氧发动机制造企业,推动氢氧发动机制造技术的不断进步是211厂肩上沉甸甸的责任与使命。

        从2000年年初开始,211厂通过国家支持及自主投入,进行能力补充与建设;深入分析大推力氢氧发动机产品制造模式特点,建立泵阀制造等数字化柔性生产线;梳理关键工艺技术,集智攻关,先后攻克83项关键技术,形成了45项专利成果。

        如今,211厂已形成集铸造、锻造、钣金、机加、热处理、表面处理、焊接、试验、装配测试为一体,工艺全面、设备完善的氢氧发动机制造平台,氢氧发动机制造能力位居国内第一。

        从零起步实现飞跃

        为实现足够大的火箭推力,长五芯一级、芯二级发动机在尺寸、材料、结构上都有很大改变,因此必须拿出全新的制造工艺。15年攻关,该厂从“零”开始,缔造了多个行业传奇。

        在长五发动机立项前,211厂便开始了相关预研工作。2001年,长五发动机设计方案确定,但芯一级发动机的尺寸、厚度等都要比预研产品大出很多,设备加工吃力出现抖动,产品型面不贴胎……研制工作遇到始料未及的问题。设计师们每进行一次问题分析,就讨论出一项应对措施。就这样,历时3年多,他们终于拿出了国内最大尺寸的推力室旋压产品。

        异种金属经过高温焊接后,易产生裂纹缺陷,一直是焊接领域的难题。而长五推力室上需要焊接的异种材料有8种,是整个长五火箭涉及材料最多、焊接最复杂的部分。选用什么样的焊接材料成为连接异种金属的关键。历时1年多,该厂终于确定了合适的焊接材料。在拉伸试验过程中,即便母材拉杆断了,焊接接头依然安然无恙。

        仅用一年时间,该厂就取得了电火花新技术从理论研究到工程化应用的惊人成果,突破了涡轮盘转子新结构无法加工的瓶颈;在摇摆软管焊缝质量堪忧的紧要关头,研制人员从产品结构上找到问题关键,解决了摇摆软管的质量问题……15年间,无数次山重水复,无数次柳暗花明,换来大推力氢氧发动机技术水平的飞跃。

        

        211厂氢氧发动机研制团队在职人员共计812人,他们从事不同专业工作,却有着一致的工作理念:艰苦奋斗、无私奉献、大力协同……为确保任务完成,他们将航天精神发挥到了极致。

        长五双机发动机需要在天津厂区装配。2014年初夏,天津又热又潮,封闭的厂房没有空调,发动机总装人员穿着从头到脚武装严实的工作服工作。有一次为抢进度,零件一送回来,师傅们便马不停蹄地工作。为了尽可能地少出汗,不影响总装质量,他们干10分钟便换另一个人。

        距离交付日期还有4天,总长200多米的电缆还在等着包缚,而发动机总装工作已进入关键的系统试验阶段,装配师傅们根本抽不开身。情急之下,总装人员将电缆运回北京,临时组织工艺、检验人员,从当晚7点开始,连夜赶制。凌晨3点,电缆包缚完成,早上8点半,这群人又坐上班车赶赴天津,继续完成电缆组装测试的使命。

        由于产品技术状态更改频繁,为减少状态更改带来的进度影响,211厂边研制边生产,把工艺工作深入到型号研制的各个环节;为减少产品在京津两地周转,职能部门会同生产车间按制造流程制定实施计划,明确各环节计划节点,实现产品周转的无缝对接……为保证型号进度,每个部门、每个人都付出了最大的努力。

        大火箭成功发射,填补了我国大推力无毒无污染液体火箭的空白,而211厂又将奔赴新的远方。


2016年12月1日,50吨级氢氧发动机研制项目在北京通过国防科工局财审司、国防科工局审核中心的结题验收。国防科工局系统一司、审核中心,航天科技集团公司、六院、一院、各承研单位参加。


50吨级氢氧火箭发动机:推举飞天 霸气亮相 

2016-11-22 中国航天科技集团六院 

长征五号首飞任务中,六院北京11所两代航天人呕心沥血,50吨氢氧发动机作为芯一级主发动机霸气亮相,关心支持中国航天事业的各界人士不禁要问,它有什么特点呢?

50吨氢氧低温发动机是我国首台大推力、高性能、地面起动直接入轨的氢氧发动机,由两台独立工作的单机通过机架并联构成,地面推力达100 吨。采用燃气发生器动力循环,地面一次启动,具有混合比调节能力,可双向摇摆,单向摆角4度,最大合成摆角5.7度。由我国独立自主研制,具有完全自主知识产权、100%国产化,综合性能达到国际先进水平。它的诞生,填补了我国大推力氢氧发动机空白,使我国液体火箭推进技术的整体水平跨上一个大的台阶。

零碳排放

50吨氢氧火箭发动机采用液氢、液氧作为推进剂,燃烧产物为洁净度达99.99%的纯净水,具有绿色、环保、零碳排放等优点,是世界上排放种类最少、最绿色环保的发动机,因此长征五号运载火箭也被成为“绿色火箭”。氢氧发动机的燃烧产物清洁,燃烧稳定,工作振动量级小,可多次启动等突出优势,成为当今世界航天运载器不可替代的动力装置,是火箭先进性的重要体现。

运载效率高

长征五号运载能力的大幅提升也得益于发动机采用氢氧推进剂的高能效。液氢是火箭化学推进剂中能量最高的燃料,氢和氧燃烧所能获得的高空比冲最高能够达到465秒,比现有常规燃料发动机性能提高约50%,是当前已知推进效率最高的化学推进剂火箭发动机。氢氧推进剂的高能效、产生推力所需燃料少的特性,使火箭运载的推进剂重量大幅减少,对于提高火箭的运载能力具有至关重要的作用,也是长征五号大型火箭采用氢氧发动机作为芯级动力的主要原因之一。

推力强劲

与现役上面级氢氧发动机相比,50吨氢氧发动机真空推力是其9倍,推力室室压是其2.7倍,氢涡轮泵功率是其15倍,氧涡轮泵功率是其20倍,发动机外廓尺寸是其5倍。长征七号火箭从我国运载火箭低轨道的运载能力不到9吨提升至13.5吨,长征五号火箭运载能力达到了25吨,成为我国火箭家族成员中当之无愧的“大哥”。 

低温之最

50吨氢氧发动机是世界上温度最低的发动机,采用的液氢、液氧推进剂温度分别为零下253度、零下180度,发动机工作前要利用液氢和液氧将发动机各类部件的结构温度预冷至大约零下180度或零下250度,保证液氧和液氢在发动机内部稳定输送。低温条件下要保证发动机各部件按照精准的时序可靠动作,需要解决大量的关键技术,采用特制的低温合金材料,开展特定的低温处理及试验测试,这些都加大了低温发动机的研制难度。

一身多项新技术

50吨氢氧发动机超低温、高温、高压等苛刻工况条件下工作的,工作环境恶劣,零部件结构复杂,大量采用了高温合金、低温钛合金等新材料。首次在发动机大尺寸高、低温高压管路中应用热推制管路成形工艺,解决了发动机总体布局和管路设计难题,减小了流阻损失。研制过程中突破了高压、大热流推力室热防护技术,高性能稳定燃烧氢氧喷注器技术,高压、高效氢氧多级泵技术,高效、超音速涡轮技术,高速柔性转子工作稳定性技术,高温、高压、长寿命燃气阀技术,发动机起动、关机与工况调节技术,新材料、新工艺技术等共10大类共43项关键技术,这些技术必将在我国工业现代化进程中,发挥重大牵引作用。

   如歌岁月里,风雨兼程硕果累累。从中国航天事业诞生开始,北京11所航天人通过不懈努力,从研制出托举东方红一号的我国第一台火箭发动机,到实现从航天大国迈进航天强国的托举长征五号的50吨氢氧发动机,开启中国人走向深空、探索宇宙奥秘的新时代。(邓尚)


2016.11进入21世纪,随着我国探月工程和空间站建设等后续大型航天活动的论证立项,对高性能氢氧发动机的需求愈加迫切。当今世界航天,性能优异、零碳排放的大推力氢氧火箭发动机,日益成为大型运载器发动机的主流动力之一,并为各航天大国所采用。是否采用氢氧发动机,也成为运载火箭先进性的重要标志之一,掌握大推力氢氧火箭发动机技术,是一个航天大国的必然要求。

2001年12月,原国防科工委、财政部联合批准“50吨级液氢液氧发动机专项工程”立项,用于长征五号火箭的新一代大推力氢氧发动机,作为我国首个地面启动的芯一级50吨级大推力发动机,正式开展研制。2006年10月,芯二级9吨级膨胀循环氢氧发动机,作为长征五号火箭芯二级动力装置,也拉开了研制帷幕。

新型动力的研制道路,从来都不是一帆风顺的。随着两型氢氧发动机研制的不断深入,各种问题和产品的薄弱环节开始一一暴露。

氢氧发动机是典型的低温发动机,工作前要利用液氢和液氧将发动机各类部件的温度预冷至大约零下180度或零下250度,同时还要保证液氧和液氢在发动机内部的稳定输送。

如此“超低温”,给发动机设计、制造材料、工艺、试验等都带来了巨大的研制难度。为此,六院科技人员通过大量的分析计算和试验分析,先后解决了低温发动机起动及关机时序、超高转速高压高效多级泵、大尺寸多孔面板发汗冷却、大口径超低温气动球阀、叶轮粉末冶金加工、主动引射高空模拟试验等百余项设计、工艺、试验关键技术,大大提升了我国低温发动机研发能力,研制工作取得了重大突破。

一波未平,一波又起。随着研制进度的不断推进,大推力氢氧发动机新的研制难题纷至沓来。50吨大推力氢氧发动机的第三台整机,完成了第一次长程热试验。然而,试验后检查时发现,推力室出现了结构破坏,故障现象前所未见。之后,连续3台发动机、3次热试验,推力室仍旧出现了结构破坏,并伴随着越来越严重的烧蚀。

面对前所未有的挫折,六院氢氧发动机研制团队通过查阅国内外相关资料、请教国内专家和同行,大胆假设,小心求证,从浩如烟海的数据中,捕捉一丝丝的异常。功夫不负有心人,研制团队历时一年半,找到了氢氧发动机燃烧中的异常脉动频率,确定了高频不稳定燃烧的深层次故障原因。

六院氢氧发动机研制团队深知,这是一个国际性航天难题,要攻克这一难题需要付出常人难以想象的努力。为了在最短的时间里攻克难关,六院研制团队快马加鞭,一鼓作气,对推力室采取了多项综合改进措施,仅仅用5个月就完成了方案论证、设计出图及新产品的研制试验。2008年11月12日,改进优化设计的推力室热试验,一举取得圆满成功,发动机的研制从此大步向前。

无独有偶,在长征五号芯二级动力膨胀循环氢氧发动机的研制过程中,研制队伍也遇到了推力室内壁烧蚀、氢涡轮泵轴承保持架先后四次断裂两只“拦路虎”,来势凶猛。故障没有先例可循,没有资料可查,来自总体单位以及上级各方不同的声音,无形中给研制人员增加了巨大的压力。尤其是氢涡轮泵多次出现了转动件破坏,有的甚至挺不过一次试验,使得本就紧张的研制周期,愈发紧迫。

面对接踵而至的重重难关,六院研制团队没有气馁。他们反复摸索,确定了问题归零的四个大方向,经过不懈努力,终于成功定位了问题所在,通过20多次试验,所有解决措施得到验证。发动机研制过程中最大的拦路虎,终于被他们成功制服。困扰在研制道路上的迷雾散去,终于云开日出,后续所有试车全部成功,至今保持了连续试车三万秒的成功记录。


       2016年6月8日,由全国人大机关、外交部、科技部、国土资源部和国防科工局等中央国家机关组成的直属局级班40余人现场观看了101所YF-77发动机长程试验。长征五号火箭总指挥王珏、总师李东,航天六院周利民副院长与101所领导陪同观看试验。


       2016年4月12日,航天科技六院101所邀请附近首都师范大学附属云岗中学的40余名师生来所,现场感受新一代运载火箭大推力氢氧发动机试车.

       下午14时,学校指导教师组织学生有序的乘车前往101研究所。在试燃的筹备阶段,试验总指挥孙德老师为学生讲解了航天发动机和试验场的结构及运行原理,生动细致的讲解和现场实时的观摩,使同学们兴致盎然。

        当试验进入倒计时时,同学们积极、兴奋,响亮的轰鸣声让大家切实的感受到了动力系统的启动、运行、结束全过程。


视频:http://tv.cntv.cn/video/C10437/c29e00e332da4cc0b993aea7bb7f4d11

首都航天机械公司 氢氧发动机推力室制造技术达国际先进水平 

  近日,公司“氢氧发动机推力室制造技术”项目通过集团公司成果鉴定,该项技术水平国内领先、国际先进。

  50吨级氢氧发动机是为我国新一代运载火箭研制的无毒、无污染、高性能、高可靠的芯一级主动力装置,其推力室制造技术是氢氧发动机制造的核心制造技术之一。

  该型号发动机从立项到进入试样阶段,公司攻克了多项技术难题,实现了大推力氢氧发动机制造技术的跨越。在关键技术攻关过程中,公司形成了一套完整的50吨级氢氧发动机推力室制造工艺和装备,并取得了多项创新成果。

  目前,项目研究成果已经成功应用于长征五号运载火箭,后续将继续向更广阔的领域推广、应用。

文字:朱平萍  编辑:王钰 金石开  2015-11-18


航天科技北京11所完成发动机14年研制文件归档

       前不久,中国航天科技集团公司六院北京11所50吨级氢氧发动机研制项目顺利通过了上级单位的档案验收,为后续项目竣工验收奠定了良好基础。

       50吨级氢氧发动机专项研制项目档案归档工作是跨院、跨单位、内外协作的项目。该发动机从立项到专项研制结束历时14年,时间跨度大、形成文件繁杂,型号组织机构与研制人员队伍变动较多。

       此次专项研制项目进行了全面、系统地归档,涉及航天产品、质量、经营、文书、特载等门类,丰富充实了该所档案馆藏,为该所积累了宝贵的知识资产。(董晴)


       50吨级液氢液氧发动机是我国首台自主研制的大推力低温氢氧发动机,是我国新一代运载火箭长征五号的芯一级主动力装置。目前,已经完成工程研制,发动机性能、功能满足火箭总体要求,具备首飞条件。

  50吨级液氢液氧发动机研制过程中突破了高压高效氢氧多级泵技术为代表的30余项关键技术、单台发动机达到15次启动、累计点火时长突破10倍额定工作时间的技术水平,标志着我国已掌握了大推力氢氧发动机核心技术,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,为后续研制跟大推力氢氧发动机奠定了基础,其工程研制成果不但满足长征五号火箭运载能力的要求,用为带动了我国低温火箭推进技术的跨越式发展。


       2015年7月16日上午,国防科技工业军民融合发展成果展在北京隆重开幕,近千项具有代表性的军转民重大成果和产品集中亮相。此次展览是国防科技工业领域首次举办军民融合主题展览,也是全部军工集团公司首次以集团整体形象对外展示。

  在中国航天科技集团公司展台中心,矗立着一台巨大的发动机,吸引眼球。据悉,这台的50吨级液氢液氧发动机,是我国首台自主研制的大推力低温氢氧发动机,是我国新一代运载火箭长征五号的芯一级主动力装置。目前,已经完成工程研制,发动机性能、功能满足火箭总体要求。

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