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長征二號F運載火箭發動機研製紀實

發佈時間:2011年08月01日 16:15 | 進入復興論壇 | 來源:中國航天報


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        發動機被譽為火箭的心臟,它是航天器問鼎太空的力量之源,承擔著為航天器提供動力的核心工作,是航天器執行任務的前提。對於載人火箭來説,發動機的可靠與安全,具有決定性的意義。

        長征二號F運載火箭的發動機是由坐落在古城西安的中國航天科技集團公司第六研究院研製的。第六研究院的前身是067基地,他們研製生産的發動機因屢屢創下航天史上的奇跡,被譽為中國航天的金牌”發動機。在長二F火箭發動機的研製中,他們以一流的技術能力確保了100%的成功,續寫了“金牌”的奇跡。

  從1992年開始研製,到1999年把發動機交付火箭總體部門,七年的風雨歷程讓親歷其間的任何人難以忘懷。1999年,裝有他們親手研製的發動機的長征二號F火箭首次彰顯神威,將第一艘神舟飛船送上太空,欲登九天的中國人讓世界為之一驚。而在此時,看著發動機噴出的炫目火焰,研製者們回憶起那些攻關的不眠之夜,那些在秦嶺深處試車的酷暑寒冬的酸甜苦辣,一時百感交集,無語凝噎。

  長征二號F火箭發動機雖然從外形上看,與它的前身———長二捆火箭發動機差別不大,但從內在性能方面進行了大量重要的改進,從載人航天的特殊要求考慮,發動機可靠性和安全性有了相當大的提高,另外發動機的生産水平和質量穩定性也平穩增長。組成長二F火箭發動機的零部件千千萬萬,改進的措施大大小小,達幾十項之多。

  嚴加試驗換來高可靠

  長二F火箭發動機的所有部件中,要説研製過程最令人難忘的就是渦輪泵了,因為在1997年,由它導致的一聲爆炸不僅響徹秦嶺山谷,更驚動了北京的航天領導層。

  為了尋找發動機的隱患,他們第一嚴格過程,第二加大難度,同時成立航天多家單位組成的可靠性小組,對發動機可靠性進行評估。一級發動機額定工作160秒,他們試驗600秒;二級發動機額定工作300秒,他們也按照最大限度600秒來試;對於二級發動機的四個小發動機,按照要求只需運行480秒,而他們均按照1100秒試驗。

  事情果然不出所料,發動機渦輪泵中的隱患沒能逃過惡劣條件下的考驗。1997年3月15日,這一天是社會上的人們對商品質量“較真兒”的日子,在秦嶺深處的鳳州山溝裏,技術人員跟發動機“較真兒的試驗也出現了異常現象。二級發動機試車到384秒時,正常噴出的火焰突然變成了黃煙,經驗告訴他們,是主機燃料泵的推進劑泄漏了,沒等他們做更多的反應,一分多鐘後,一聲轟然巨響,發動機爆炸了。在場的所有人驚呆了。

  雖然從火箭的實際飛行時間來看,發動機工作不到384秒時發動機早已關機,不會影響飛行,但從嚴試驗就是為了暴露問題,已經出現的問題就是一個巨大隱患,誰敢保證這樣的爆炸不會提前發生呢?

  當時距離神舟飛船首次飛行的時間已近,載人航天各個系統聞聽發動機試車爆炸的消息,議論紛紛。一時間,此發動機到底可不可以用於載人火箭的爭論引起了高層領導的重視。

  067基地的研製人員雖然心情沉重,但他們馬上組織起來連夜分解發動機殘骸,研究分析故障産生的原因。隨後,春寒料峭的大山深處,頂著失敗的壓力,技術人員面對發動機殘骸展開了全面的測試。經過馬不停蹄的測試、分析,他們認為是發動機渦輪盤出現疲勞裂紋,然後在飛速旋轉中振動,將密封結構振碎,最終導致了兩種化學推進劑泄漏、混合,引發爆炸。隨後,大家工作了一天一夜將分析報告完成。第二天又接著向航天總公司、國防科工委彙報,連著36小時沒有合眼,這36小時成為他們對長二F火箭發動機研製最深刻的記憶。

  後來經過進一步分析查找,發現這個隱患在發動機裏早就存在,只是在這次高強度的試車中才突現出來。為何渦輪盤會産生這樣的裂紋?解決這個問題花費了他們很長的時間。其間,他們與許多單位進行了聯合攻關,並組織研究、設計、工藝人員進行了深入試驗。最終發現,是三方面的綜合原因導致了渦輪盤裂紋的産生:第一,設計時忽視了動強度;第二,材料質量不理想;第三,加工方法有缺陷。而在較低強度和溫度下的試驗,不會暴露出這一隱患。很快,技術人員從渦輪盤的材料、設計結構和加工方法三方面進行了改進,效果很好,解決了歷史問題。

  經過渦輪泵爆炸事件的洗禮,研製者堅定了用嚴格試車來提高發動機可靠性的信心。此後,他們針對各次試驗中暴露的問題,組織專家和技術人員對原有設計進行了重新修改,使發動機可靠性在原來的基礎上提高了一大步。

  最大限度保安全

  載人航天的特點之一是要極大地保障安全性,鈍感電爆管就是體現安全性的一個器件。非鈍感的電爆管極為敏感,哪怕一點點靜電荷也會讓它誤爆,造成意外點火。在航天的歷史上,小小的電爆管曾多次釀成大禍。

  1964年,美國雷神-德爾它火箭三級發動機在工作人員進行操作時,造成靜電荷重新分佈,使電爆管誤爆而意外點火,造成三人死亡。

  在此之前的1963年11月,該發動機也曾發生過類似事故,當時是由於一名技術人員戴著橡皮手套偶然摩擦發動機的塑料隔板,使電爆管感應靜電荷而引起的。此外,在瑞典曾發生過這樣一件事:一枚阿裏安探空火箭進行測試時,由於檢查電流過大使發動機意外點火,當場造成一人死亡,三人受傷。因此,載人航天必須採用高安全性的鈍感電爆管。

  鈍感電爆管需要長時間、大電流才能起爆,因此一般不容易發生誤爆事件,被稱為安全電爆管。長二F火箭發動機鈍感電爆管的第一個方案採用了隔板起爆器,于1995年通過了方案評審。但在進行與閥門的匹配試驗時,有一個電爆管沒有起爆。經過幾個方案的改進和分析,大家認為原因在於環節太多,光一個起爆器就包括了施主端、受主端、隔板等好幾個環節。點火藥、裝藥量、藥序、壓藥密度、隔板,哪兒出了問題都會影響起爆效果。環節越多,整體可靠性就越差。最後,設計師經過多次分析研究,毅然採取了新的結構方案,該方案簡單可靠,質量容易保證,它為我國載人航天做出了不容低估的貢獻。

  歷史上,發動機管路泄漏故障是發生概率較高、危害嚴重的問題。某航天型號發動機中,一些導管的連接可靠性不高,就是因為保留了老式結構。為避免出現類似的隱患,長二F火箭發動機中管路密封採取了多種類型的結構,實踐證明,新的改進便於裝配,密封效果好。

  外國專家打高分

  發動機工作時,推力室的溫度高達3000℃,在高溫和推進劑大流量進入時,推力室的抗干擾能力如何?工作穩定性如何?還有什麼隱患?發動機專家錢維松建議對此進行穩定性鑒定。考慮到近30年來前蘇聯在高頻燃燒穩定性方面進行過很多工作,經商定067基地和俄羅斯莫斯科化工機械研究所合作進行該項鑒定。俄羅斯專家用不同的脈衝槍向我發動機室連“打”三槍,結果,推力室對此竟置之不理,照常工作。俄方對記錄數據進行認真分析後,不禁驚嘆地認為,中方發動機穩定性水平之高,在俄羅斯也只有一種型號的發動機可與之媲美。

  長征二號F火箭發動機分別進行了多組合的改進設計、可靠性增長試驗,進行了多次高度的長程試車考驗,取得了重要成果。經過改進———試驗———再改進———再試驗的反復過程,使發動機的水平有了顯著提高,滿足了載人航天的需要。

  悲喜研製譜天歌

  長二F火箭發動機研製史,有著説不完的故事。

  現任航天科技集團公司副總經理的胡鴻福,在長二F火箭發動機研製的關鍵期間,擔任著067基地主任的要職,也就是説,發動機若有什麼差池,他將負第一責任。1998年11月,胡鴻福向航天總公司劉紀原總經理表示,第一次參加載人工程飛行的發動機,要做到三個百分之百。一是確保發動機所有部件在總裝前一次達到百分之百合格;二是發動機出廠後,到發射場之前所有的檢查、測試工作一次達到百分之百合格;三是在發射場的所有測試百分之百合格。

  作為067基地的管理者,他在全基地實行了末位淘汰制,經過評審,誰因質量問題排在最後,誰就會被淘汰,至今六院還在堅持這一制度,每年都要淘汰一批質量上出問題的人。這項制度對於嚴格確保發動機質量起到了顯著作用。

  六院副院長肖厚德,是長二F火箭副總指揮,在發動機研製中,他組織進行了四次渦輪泵聯試。前三次聯試時,不斷出現問題,試驗人員壓力很大。

  在一次質量分析會上,肖厚德説:“平時把工作做細做好,試驗時指揮員全權負責,有什麼問題我們領導來承擔。在試驗前,他同試驗人員一起吃飯,他端起酒杯單獨敬了現場指揮員一杯,和藹地説:“晚上好好睡覺,不要有太多的壓力,明天該怎麼幹怎麼幹。其實,作為行政指揮,沒有人比他的壓力更大了,他白天開導大家,晚上卻輾轉反側,夜不能寐。

  20世紀90年代初就在067基地11所大發動機研究室擔任主任兼主任設計師的張寶琨,是長二F火箭的副總設計師。六旬老人,在別人眼裏應該是享受天倫之樂的角色,而斑斑白髮的他卻扎進科研最前線,一幹就是十年。

  張寶琨是獨生子,母子感情很深。90年代初,80多歲的母親因嚴重的風濕病,處於半癱瘓狀態。而此時,正是長二F火箭發動機研製工作全面鋪開的關鍵時期,照顧母親的事只有妻子和兒女們承擔了。但只要一有空,他便為母親端屎倒尿、梳頭喂飯,盡一點做兒子的孝心。

  1994年12月底,發動機要進行第一次可靠性試驗。試驗前張寶琨家裏打來電話,説母親病危,而此時正是發動機裝配的關鍵時刻。他堅持把發動機裝配完畢才趕回家中。可是,老母親沒有堅持到這一天,沒跟兒子説上最後一句話,便離開了人世。

  張寶琨用最短的時間料理完母親的喪事,三天后試驗臺上又出現了他的身影。不久,火箭發動機第一次可靠性試驗獲得了圓滿成功,得到航天總公司領導的高度評價。

  年輕的院長雷凡培對長二F火箭發動機倍加重視,從設計到生産到試驗處處有他的身影,每次試驗他必親臨現場組織指揮,他領導了設計、工藝和生産諸方面加嚴要求的制定,多次到發射現場,組織技術歸零和管理歸零,度過了許多不眠之夜。

  這正是長二F火箭發動機研製隊伍的精神寫照,正是通過他們的智慧、團結與奮鬥,神舟五號載人飛船連同英雄的航天員,被“金牌”發動機的神奇力量推向太空,實現中華民族千年飛天之夢。


責任編輯:張砥

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