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世界最大推力 500T 整體式固體火箭發動機在四院試車成功!
發布時間:2021/10/20  瀏覽次數:1159 次  來源:航天動力技術研究院 陜西航天科技集團有限公司 航天四院  作者:

近年來,我國固體火箭發動機技術進步成績十分喜人,但是大型、超大型固體發動機與國家航天運載火箭的長遠發展需求、與世界范圍內航天固體運載動力技術發展水平相比還存在一定差距。掌握或擁有超大直徑、推力數百噸甚至千噸級的大型固體發動機技術,成為后續運載火箭動力技術的中堅,一直是中國航天固體動力人追求的目標。

 

10191130,由中國航天科技集團四院自主研制,我國也是世界上推力最大、沖質比最高,易使用的整體式固體火箭發動機地面熱試車在西安獲得圓滿成功。

該發動機直徑3.5米,裝藥量150噸,推力達500噸,采用高壓強總體設計、高性能纖維復合材料殼體、高裝填整體澆注成型燃燒室、超大尺寸噴管等多項先進技術,發動機綜合性能達到世界領先水平。

試驗的成功,打通了我國千噸級推力固體發動機發展的關鍵技術鏈路,標志著我國固體運載能力實現大幅提升,對推動未來大型、重型運載火箭技術的發展具有重要意義。

 

整體分段兩條技術路線齊頭并行

 

運載發展,動力先行。早在十一五時期,航天四院就在航天科技集團和總體單位的大力支持下,未雨綢繆,瞄準世界航天發展前沿和我國運載火箭對大推力高性能固體火箭發動機的技術需求,立足整體式分段式兩條技術路線,先期開展了大型固體發動機的預先研究攻關。

2009 年,在國內率先研制成功了直徑 2、推力 120 噸,當時國內最大的整體式固體火箭發動機,直接推動了我國長征系列運載火箭中第一型全固體運載火箭 CZ-11 的立項研制,成為我國固體動力邁向宇航運載領域的重要里程碑。

2019 年,為進一步提升固體運載能力和商業航天市場競爭力,四院又自主研制成功了直徑2.6米、推力200噸的整體式固體發動機,進一步提升了我國航天固體動力運載能力的同時,也推動了捷龍-3 商業航天運載火箭的立項研制。此次直徑 3.5 、推力 500 噸大型發動機的試車成功,為我國未來大型、重型運載火箭型譜發展提供了更多的動力選擇。

整體式固體發動機發展的同時,分段式發動機的攻關腳步也從未停歇。整體打基礎,分段再提升,分段式發動機充分利用整體和部分的原理,完美平衡了性能需求研制運輸能力的矛盾,是固體發動機推力走向更大、性能走向更強的必然選擇。2016 年,隨著分段對接技術的不斷成熟,四院在120 噸整體式大推力發動機的基礎上,成功進行了直徑 2分段式發動機地面熱試車,發動機燃燒室由 2 個艙段對接而成,推力 120 噸,成功驗證了固體發動機分段對接技術,也直接推動了我國首型捆綁固體助推器運載火箭 CZ-6A 的立項研制。

之后,直徑 3、3.2 分段式發動機相繼試車成功,分段對接技術不斷發展,技術成熟度快速提升。特別是2020 12月30,四院自主研制的我國直徑最大、裝藥量最大、工作時間最長的固體分段式助推器——民用航天 3.23 分段大型固體火箭發動機地面熱試車的圓滿成功,極大地提升了我國大型固體火箭發動機的技術和能力水平,是四院十三五固體動力技術發展的標志性成果之一。

 

大型固體發動機性能達到世界一流水平

 

經過十多年的發展,我國固體運載事業和大型固體火箭發動機技術從無到有、從小到大、從弱到強,取得了一系列成果,實現了直徑從23.5及以上,推力從 120噸到 500噸甚至千噸級的躍升。

此次具備工程應用意義的500噸推力整體式大型固體火箭發動機試車的圓滿成功,標志著四院整體式固體發動機推力“120 噸、200 噸、500 三步走計劃的全面實現,對豐富我國運載火箭動力型譜,提升快速進入空間能力意義重大。

該型發動機采用了一系列先進技術。在設計上,針對大型發動機存在的燃燒、流動與熱結構等設計難題,創新地提出了新結構、新方法和新技術,并基于統一模型進行了 50 多種復雜工況的性能和工藝仿真,準確指導最終結構確定。

 

工藝上針對大直徑殼體結構件加工,提出了小變形強時效工藝控制與成型技術,通過聯合采用人工時效、振動時效等多種技術,克服了大尺寸構件的變形難題。針對大直徑大型纖維纏繞成型復合材料殼體,創新地采用組合式金屬芯模、全程纏繞仿真、非熱壓釜成型等技術,解決了殼體直徑大幅增加帶來的纏繞質量重、慣量大、滑移易、纏時長、補強難、固化欠等多個難題。

針對發動機推進劑的澆注成型,攻克了適應長時間澆注的高力學、工藝性能推進劑及強適應襯層等配方技術,通過仿真模擬實際澆注過程的一系列工藝試驗,獲得了支撐澆注工藝制定的一系列寶貴參數。為控制澆注風險,從人機料法環五個方面提出了諸多工藝控制措施、制定了詳實預案,每一個工序、每一個工步、每一環節、每一步操作均做到了精益求精。

噴管作為發動機工作環境最惡劣的部件,面對高溫、高壓強、高流量考驗,設計和工藝人員創新地采用新型 C/C 喉襯技術,針對喉襯開展了詳盡的性能測試,應用最新測量技術獲得了覆蓋常溫到高溫區間的80多項重要參數,成為四院有史以來測試數量最多、測試項目最廣、測試要求最全、測試難度最大的喉襯。

 

500噸推力整體式大型固體發動機試車的成功,創造了大型整體式固體火箭發動機新的巔峰,使我國大型整體式固體火箭發動機技術躋身世界領先水平,將為我國新型固體運載火箭提供更強勁、性價比更高的先進動力,顯著增強固體火箭在商業航天發射市場的競爭力。

創新的腳步永不停歇。航天四院將在此基礎上,通過從設計源頭采用低成本設計方法、設計思路,簡化工藝、提高效率,讓固體發動機不僅做到安全可靠,而且質優價廉、好用耐用。

目前,基于500噸推力整體式固體發動機,四院已經在開展直徑 3.5級分段發動機的研究,發動機分5段,最大推力將達到千噸以上,可應用于大型、重型運載火箭固體助推器中,以滿足我國空間裝備、載人登月、深空探索等航天活動對于運載工具的不同發展需求,為建立國內固體、液體運載火箭相得益彰、完善的航天運輸系統提供更加強大有力的動力支撐。


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