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        1. 創新讓火箭“心臟”動力十足

          文章來源: 中國知識產權報/中國知識產權資訊網
          發布時間: 2022/4/1 15:33:00

            近日,中國航天科技集團有限公司第四研究院(下稱航天四院)自主研制的“世界最大推力整體式固體火箭發動機(下稱整體式固體發動機)試車成功”入選2021年度中國十項重大工程進展。據悉,該項目曾獲得中國航天科技集團有限公司2021年度十大技術突破獎。


            固體火箭發動機是一種使用固體推進劑的化學火箭的動力裝置,被譽為火箭的“心臟”。去年10月,該整體式固體發動機地面熱試車在航天四院西安白鹿原試驗區獲得圓滿成功。這標志著我國固火箭體發動機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。那么,航天四院究竟在火箭發動機上付出了怎樣的努力?又形成了哪些新的研發成果?


            勇于創新 突破技術瓶頸


            “人類的一切‘飛天’活動首先要擺脫地球引力的束縛。我們用運載火箭作為航天活動的主要工具,而發動機則是火箭的心臟,是其產生推力、擺脫地球引力的源泉。”固體運載動力團隊總設計師王健儒介紹,大推力固體發動機是火箭實現大起飛推力的核心之一,發動機的推力越大,火箭的載荷及飛行距離就越大。固體發動機具有結構簡單可靠、易實現大推力、操作維護方便、無依托和質量比高等優點,對于簡化火箭構型、降低系統復雜度、減少靶場操作維護工作意義重大。


            為此,航天四院于2008年成立了固體運載動力團隊,隊員平均年齡不到35歲。十幾年間,他們不斷挑戰困難、勇于突破創新。直徑從2米到3米再到3.5米,推力從120噸到200噸再到500噸,固體發動機的指標和性能被不斷刷新。


            直徑3.5米/500噸先進整體式復合材料固體發動機,是團隊的最新研發成果。在研發過程中,由于發動機的尺寸規模增大、裝藥量大幅增加,大部分原有的設計方法、設計理論與成型工藝不再適用,致使研制技術與工藝面臨著重重挑戰。


            “在該發動機上,我們首次采用全數字化設計與管理,針對大型固體發動機存在的燃燒、流動與熱結構等設計難題,大膽地嘗試新的結構、方法和技術。”王健儒表示,“嚴慎細實”四個字已經印刻在每一個團隊成員的骨子里,不會倚仗經驗豐富而有絲毫大意。在金屬結構、纖維纏繞復合材料、裝藥等工藝方面,團隊面對各種技術難題,正琢反磨,攻克了高性能纖維復合材料殼體、高裝填整體澆注成型燃燒室、大尺寸噴管喉襯結構設計成型與仿真技術等核心技術,通過一系列工藝試驗,獲得了相關工藝的寶貴參數。


            最終,從2020年啟動研制到該發動機地面熱試車,團隊只用了十幾個月,便成功研制出目前世界上具備工程使用能力的直徑最大、裝藥量最多、推力最大的整體式固體發動機。


            步步為營 再上一個臺階


            在推進整體式固體發動機研發和在分段式固體火箭發動機(下稱分段式固體發動機)上,團隊探索的腳步也從未停歇。王健儒介紹,正所謂“整體打基礎,分段再提升”,分段式固體發動機充分利用了“整體和部分”的原理,完美平衡了“性能需求”與“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。


            相較于整體式固體發動機,團隊在分段式發動機的研發上,面臨著更多挑戰。尤其在分段對接結構成型精度控制與可靠連接方面,由于沒有成熟的經驗可以借鑒,團隊便邊摸索邊攻關,進行了大量的仿真計算,開展數次研究與溝通協調。


            據悉,分段式發動機需要單段絕熱、單段澆注,燃燒室單段研制成型再組合成整體燃燒室,同步燒蝕。由于缺乏實際的對接經驗,團隊只能根據數據和設計經驗對發動機的狀態做出判斷。為了準確判斷發動機狀態,設計師需要對發動機內部燃燒室對接處的縫隙進行測量。然而,設計師無法親自進入發動機燃燒室。團隊的研究一時間陷入了困境。關鍵時刻,設計師陳宏靈機一動,竟想到用一塊橡皮泥解決問題。團隊將橡皮泥放進接口,對接完后只要將橡皮泥取出進行測量,就能得到準確數據,成功解決了這一難題。


            短短幾年時間里,研制團隊成功攻克了多項重大關鍵技術和諸多技術難題,形成了一套完整的分段式固體發動機設計與分析方法,相繼開展了直徑1米/2分段,2米/2分段,3米/2分段,3.2米/3分段式固體發動機地面熱試車試驗,均取得圓滿成功,實現了分段式發動機從無到有、從小到大,不斷刷新著我國固體發動機研制的紀錄。


            “在整體式及分段式固體發動機上,我們已經提交了30多件專利申請,其中20余件專利申請已獲得授權,涉及大型發動機內彈道精確預示方法、大型發動機無損檢測方法、大型發動機內外流場仿真方法等多項核心技術,涵蓋了設計、制造、測試和試驗等發動機全周期。”王健儒表示,在重點技術領域,團隊進行了多維度的專利布局。同時,團隊將著力打造高性能、高可靠、低成本的固體發動機,帶動相關設計、材料、工藝、制造等技術的發展,滿足未來運載火箭總體和商業發射的市場需求。(劉弘一)

           

          (編輯:晏如)

           

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