重大突破!国内首次实现液体火箭动力的重复使用(图)

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微信公众号“ 西安航天动力研究所”9月13日消息,近日,由西安航天动力研究所自主研制的某型液氧煤油发动机首次实现重复飞行试验验证。该型发动机作为某飞行器主动力装置参加首飞试验后,经检测维护,再次装配并顺利完成了重复飞行试验,国内首次实现了液体火箭动力的重复使用。

起步:设计之初考虑多次工作要求

液体火箭发动机作为航天运载器的主要动力装置,功能全、性能高、技术难度大、研制周期长,液体火箭发动机的可重复使用技术,对可重复使用航天运载器至关重要。



20世纪80年代,美国的航天飞机计划取得成功,实现了部分重复使用的目标,虽然航天飞机主发动机(SSME)进行了持续改进,但该发动机在实际工作中远未达到55次飞行的设计目标,且重复使用过程中维护检测流程复杂,成本高昂,2011年SSME随航天飞机退役。进入新世纪,美国私营企业SpaceX的火箭垂直起降回收技术引人关注,2015年底至2016年初,成功完成了陆上发射场回收和海上平台回收,代表了可重复使用运载器的最新进展。

液氧煤油发动机是我国新一代运载火箭的主要动力装置,具有高性能、大推力、无毒无污染等优点。该发动机从设计之初,部组件方案及总体布局按多次工作的要求开展论证,所有阀门均为可多次工作的气动、电动、液动等工作形式,地面研制试验实现了单台发动机不下台重复试车8次。

“十三五”期间,我所预先开展了液氧煤油发动机重复使用关键技术研究,取得了大量理论和试验研究成果,为液氧煤油发动机重复使用奠定了基础。

攻关:重复使用五大关键技术


由于天地工作环境的差异性及各种保障条件的限制,液氧煤油发动机飞行重复点火与地面试验重复点火不能简单划等号,飞行力、热等环境条件也更加恶劣,因此液氧煤油发动机重复使用需要攻克的关键技术难题更多,主要有以下几个方面:



一、多次点火技术

采用垂直起降的航天运载器都需要发动机具备多次点火能力,像SpaceX公司开式循环液氧煤油发动机梅林-1D(Merlin-1D),在猎鹰9号垂直起降过程最多要点火工作3次。

液氧煤油发动机采用了绿色、环保的推进剂组合,可在一次点火工作后进行吹除处理后,实现发动机重复点火工作,技术上具有重复使用能力。但航天运载器飞行时,无法实现和地面试验相同的吹除等保障条件,同时由于低温发动机点火准备阶段需对低温系统进行预先预冷,所以点火准备期的流程和地面也有较大差异。对于补燃循环液氧煤油发动机,这些制约条件将更加凸显,需要对发动机进行技术研究,优化发动机点火准备阶段的预冷流程,简化发动机关机后至点火前的吹除处理方案。

目前,我国补燃循环液氧煤油发动机已在地面试验实现了不间断三次点火起动,摸索出了重复点火工作间的吹除处置和预冷方法。

二、大范围变推力技术

垂直起降的航天运载器在返回过程中,由于推进剂剩余量逐渐减少,运载器重量越来越轻,需要发动机具备大范围推力调节能力,才能实现减速或地面软着陆。要实现发动机的大范围变推力,需设置调节元件和驱动机构,同时对调节精度和调节速率有要求。另外,工作条件的大范围变化对发动机推力室等热力组件及涡轮泵等主要组件的工作适应能力提出了很高要求。

我国液氧煤油发动机具备无级推力调节能力,通过地面试车进行充分验证,其中推力调节机构和大范围推力调节能力在新一代长征八号运载火箭上实现了飞行验证。

三、力、热防护技术

与一次性使用运载器相比,重复使用运载器不仅要求发动机在上升段工作,而且返回段也要再次点火工作用于运载器减速或着陆,特别是返回段的气动力载荷条件、喷口反流热流条件等更加苛刻,需要对发动机进行力、热防护技术研究。另外,非工作段部分贯通内腔的接口也需要考虑返回段外界气压的变化进行正压或反向密封保护。

某飞行器试验的成功,初步验证了液氧煤油发动机对重复使用飞行力、热载荷条件及免维护防护措施的有效性。

四、重复使用状态评估技术


为了实现发动机重复使用工作的可靠性,需要对返回后的发动机进行状态评估,用于判定发动机是否具再次飞行的能力,特别是对工作条件恶劣的热力组件热疲劳、转子组件结构应力疲劳开展专项研究。另外,发展并采用在线实时健康诊断技术,实现飞行阶段发动机工作状态的健康监测或采用动力冗余运载器的弹道重构。

国内液体火箭发动机地面故障诊断系统在液氧煤油发动机研制试验中应用较早,技术成熟。2022年3月在新一代长征六号甲运载火箭上首次实现了飞行健康监控系统的实战应用。通过液体动力健康诊断相关技术研究,液氧煤油发动机在试车或飞行后状态评估技术方面也开展了大量研究工作。

五、重复使用检测维护技术

为了实现低成本,体现出发动机重复使用的价值,要求对返回后的发动机进行的检测项目越少越好,维护越简单越好,这与发动机健康状态评估是一对矛盾体,需要开展深入研究,在健康状态评估的基础上尽量简化检测维护方案,最终实现发动机的低成本、短周期快速检测维护。

液氧煤油发动机通过发射场使用维护简化研究及重复使用相关维护处理技术研究,实现操作维护项目大幅度精简,首次实现低温火箭液氧加注后无人值守功能验证。

展望:为完全重复使用积累了宝贵经验

为了实现发动机短周期处理再次交付飞行,研制团队在液氧煤油发动机重复使用技术课题研究的基础上,针对性地制定了发动机检测维护方案,做到了短期快速处理交付原机,初步实现了液氧煤油发动机重复使用。



随着人类对太空探索的深入开展,宇航动力技术开始进入创新发展和规模化发展阶段。各航天大国都在积极推动运载火箭升级换代,谋求快速、可靠、低成本地进入太空。主要航天国家和地区都已建立了比较完善的运载火箭型谱,能够满足大、中、小型有效载荷的发射任务。主要航天国家大力发展重型运载火箭,为满足未来执行载人登月及探火、大规模深空探测等任务需求;不断推动可重复使用运载器的工程化应用,开展关键技术攻关和试验验证。基于前期关键技术验证和雄厚的专业基础,美俄等主要国家下一代火箭动力产品进入整机试车阶段,为其新型航天运输工具提供先进动力基础。

所长张晓军表示:“我国液氧煤油发动机首次重复飞行成功,标志着发动机重复使用技术进入实战阶段,我们将进一步关注发动机的高可靠性、低成本、高性能,持续开展可重复使用技术探索,为我国快速大规模进出太空空间提供坚强动力保障。”

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