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世界最大推力 500T 整体式固体火箭发动机在四院试车成功!
发布时间:2021/10/20  浏览次数:863 次  来源:航天动力技术研究院 陕西航天科技集团有限公司 航天四院  作者:

近年来,我国固体火箭发动机技术进步成绩十分喜人,但是大型、超大型固体发动机与国家航天运载火箭的长远发展需求、与世界范围内航天固体运载动力技术发展水平相比还存在一定差距。掌握或拥有超大直径、推力数百吨甚至千吨级的大型固体发动机技术,成为后续运载火箭动力技术的中坚,一直是中国航天固体动力人追求的目标。

 

10191130,由中国航天科技集团四院自主研制,我国也是世界上推力最大、冲质比最高,易使用的整体式固体火箭发动机地面热试车在西安获得圆满成功。

该发动机直径3.5米,装药量150吨,推力达500吨,采用高压强总体设计、高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、超大尺寸喷管等多项先进技术,发动机综合性能达到世界领先水平。

试验的成功,打通了我国千吨级推力固体发动机发展的关键技术链路,标志着我国固体运载能力实现大幅提升,对推动未来大型、重型运载火箭技术的发展具有重要意义。

 

整体分段两条技术路线齐头并行

 

运载发展,动力先行。早在十一五时期,航天四院就在航天科技集团和总体单位的大力支持下,未雨绸缪,瞄准世界航天发展前沿和我国运载火箭对大推力高性能固体火箭发动机的技术需求,立足整体式分段式两条技术路线,先期开展了大型固体发动机的预先研究攻关。

2009 年,在国内率先研制成功了直径 2、推力 120 吨,当时国内最大的整体式固体火箭发动机,直接推动了我国长征系列运载火箭中第一型全固体运载火箭 CZ-11 的立项研制,成为我国固体动力迈向宇航运载领域的重要里程碑。

2019 年,为进一步提升固体运载能力和商业航天市场竞争力,四院又自主研制成功了直径2.6米、推力200吨的整体式固体发动机,进一步提升了我国航天固体动力运载能力的同时,也推动了捷龙-3 商业航天运载火箭的立项研制。此次直径 3.5 、推力 500 吨大型发动机的试车成功,为我国未来大型、重型运载火箭型谱发展提供了更多的动力选择。

整体式固体发动机发展的同时,分段式发动机的攻关脚步也从未停歇。整体打基础,分段再提升,分段式发动机充分利用整体和部分的原理,完美平衡了性能需求研制运输能力的矛盾,是固体发动机推力走向更大、性能走向更强的必然选择。2016 年,随着分段对接技术的不断成熟,四院在120 吨整体式大推力发动机的基础上,成功进行了直径 2分段式发动机地面热试车,发动机燃烧室由 2 个舱段对接而成,推力 120 吨,成功验证了固体发动机分段对接技术,也直接推动了我国首型捆绑固体助推器运载火箭 CZ-6A 的立项研制。

之后,直径 3、3.2 分段式发动机相继试车成功,分段对接技术不断发展,技术成熟度快速提升。特别是2020 12月30,四院自主研制的我国直径最大、装药量最大、工作时间最长的固体分段式助推器——民用航天 3.23 分段大型固体火箭发动机地面热试车的圆满成功,极大地提升了我国大型固体火箭发动机的技术和能力水平,是四院十三五固体动力技术发展的标志性成果之一。

 

大型固体发动机性能达到世界一流水平

 

经过十多年的发展,我国固体运载事业和大型固体火箭发动机技术从无到有、从小到大、从弱到强,取得了一系列成果,实现了直径从23.5及以上,推力从 120吨到 500吨甚至千吨级的跃升。

此次具备工程应用意义的500吨推力整体式大型固体火箭发动机试车的圆满成功,标志着四院整体式固体发动机推力“120 吨、200 吨、500 三步走计划的全面实现,对丰富我国运载火箭动力型谱,提升快速进入空间能力意义重大。

该型发动机采用了一系列先进技术。在设计上,针对大型发动机存在的燃烧、流动与热结构等设计难题,创新地提出了新结构、新方法和新技术,并基于统一模型进行了 50 多种复杂工况的性能和工艺仿真,准确指导最终结构确定。

 

工艺上针对大直径壳体结构件加工,提出了小变形强时效工艺控制与成型技术,通过联合采用人工时效、振动时效等多种技术,克服了大尺寸构件的变形难题。针对大直径大型纤维缠绕成型复合材料壳体,创新地采用组合式金属芯模、全程缠绕仿真、非热压釜成型等技术,解决了壳体直径大幅增加带来的缠绕质量重、惯量大、滑移易、缠时长、补强难、固化欠等多个难题。

针对发动机推进剂的浇注成型,攻克了适应长时间浇注的高力学、工艺性能推进剂及强适应衬层等配方技术,通过仿真模拟实际浇注过程的一系列工艺试验,获得了支撑浇注工艺制定的一系列宝贵参数。为控制浇注风险,从人机料法环五个方面提出了诸多工艺控制措施、制定了详实预案,每一个工序、每一个工步、每一环节、每一步操作均做到了精益求精。

喷管作为发动机工作环境最恶劣的部件,面对高温、高压强、高流量考验,设计和工艺人员创新地采用新型 C/C 喉衬技术,针对喉衬开展了详尽的性能测试,应用最新测量技术获得了覆盖常温到高温区间的80多项重要参数,成为四院有史以来测试数量最多、测试项目最广、测试要求最全、测试难度最大的喉衬。

 

500吨推力整体式大型固体发动机试车的成功,创造了大型整体式固体火箭发动机新的巅峰,使我国大型整体式固体火箭发动机技术跻身世界领先水平,将为我国新型固体运载火箭提供更强劲、性价比更高的先进动力,显著增强固体火箭在商业航天发射市场的竞争力。

创新的脚步永不停歇。航天四院将在此基础上,通过从设计源头采用低成本设计方法、设计思路,简化工艺、提高效率,让固体发动机不仅做到安全可靠,而且质优价廉、好用耐用。

目前,基于500吨推力整体式固体发动机,四院已经在开展直径 3.5级分段发动机的研究,发动机分5段,最大推力将达到千吨以上,可应用于大型、重型运载火箭固体助推器中,以满足我国空间装备、载人登月、深空探索等航天活动对于运载工具的不同发展需求,为建立国内固体、液体运载火箭相得益彰、完善的航天运输系统提供更加强大有力的动力支撑。


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