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十年艰辛砺一箭,固体助推耀长空
发布时间:2022/4/6  浏览次数:1862 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:



329日,我国首型固液捆绑运载火箭长征六号改首飞成功。当这款中国首型“混动版”运载火箭直冲云霄、划过天际,固体助推发动机发出的耀眼光芒照亮了长征六号改火箭的征途,团队成员们凝目长空、热泪长流。



发射期间,四院任全彬院长、陕航集团王世英董事长深入发射试验场,看望慰问四院发动机型号两总及试验队员,现场指导发射工作。


火箭发射成功后,人民日报、新华社、中央广播电视总台、光明日报、中国日报、科技日报、经济日报、中新社、人民网、央广网、陕西日报、西部网等中央及省市地方主流媒体进行了集中、多平台、多维度的报道,引发了热烈反响。

十年艰辛砺一箭  固体助推耀长空

长征六号改首飞成功,距离四院2012年启动固体助推发动机方案论证已经整整十个年头了。从直径1米、2米、3米级分段固体发动机相继试车成功,到世界推力最大3.5500吨整体式固体发动机试车成功,从CZ-11运载火箭十二连胜到CZ-6A运载火箭首飞成功,十年来,四院运载火箭固体大推力发动机研制团队从零开始,攻坚克难,不断创造着中国航天固体动力技术一个又一个突破,推动我国固体运载事业从小到大、从弱向强。

 攻克分段对接技术  确保新火箭首飞成功


作为我国固体火箭动力技术的领军者,发展运载火箭固体助推技术是近年来四院人的努力方向,而分段对接技术作为大型固体助推发动机的关键技术,是固体发动机进军运载火箭捆绑助推动力领域的核心技术支撑,也是摆在设计师团队面前必须攻克的最大技术难题。


“固体发动机要真正运用到宇航运载领域,必须要达到更大推力才行。分段式固体发动机具有模块化、推力大、工作时间长等特点,是运载火箭实现大起飞推力的有效途径之一”,四院固体运载发动机总师王健儒指出。


可是,发动机分段对接技术没有任何可资借鉴的经验,国外公开可以查到的基本只有一张简图、一段综述或者一个公式。王健儒带领团队几乎翻遍了能查到的所有相关资料,他们与国内顶级专家、高校教授和研制队伍反复探讨,最终制定了有效的技术路线和验证方法。“这是我人生中最宝贵的一笔财富,”王健儒说。


分段式固体发动机技术新、进度紧、压力大,四院固体运载发动机副总师、41所固体运载动力室主任白彦军对研制团队提出了“三个一”的学习要求,即每个人必须拿出一型方案设计、一份仿真报告、一套图样设计。为解决分段式发动机的流动稳定性等问题,团队广阅资料,开展充分的理论分析、数值仿真、冷流和热试试验。


短短几年时间里,设计团队成功解决了多项重大关键技术和诸多技术难题,形成了一套完整的分段式固体发动机设计与分析方法,相继完成了分段发动机从无到有、从直径315mm到直径3.2m、从两段到三段的各项研试工作,不断刷新着我国固体发动机研制的纪录。


2018年,在分段固体发动机技术日益成熟的牵引下,首次应用直径22分段捆绑固体助推动力的长征六号改运载火箭终获国家立项,标志着固体动力正式向着中国主力运载火箭领域进军。


 由于经验上的空白,遇到的困难可想而知。自立项以来,这支年轻的设计师团队不断克服困难,主动作为。“想要成就伟大事业,就一定要有敢于攻克‘卡脖子’技术、啃下‘硬骨头’的精神!”谈到发动机的研制过程,白彦军太有感触了。


发动机副总设计师陆贺建被团队成员称为“攻坚急先锋”。发动机工作同步性是决定火箭发射是否成功的一个关键考验,陆贺建组织团队“头脑风暴”,提出采用同批原料、同时混合、同锅浇注、同时固化的“四同”工艺措施,通过保证药柱性能一致性,实现对称发动机工作时间误差小于1.5秒。


“一次要把事情做对,次次都把事情做好!”这是发动机壳体结构设计师赵玉静的工作格言。面对长征六号改首次采用捆绑连接结构的要求,她采用拓扑优化的方法进行壳体结构设计,理论计算与试验数据最大偏差小于8%,以极高的性能满足了总体指标要求。


“靶场的温度历程复杂,只有通过全面的仿真分析才能做到万无一失。”苗志文是设计团队中最年轻的成员,为保证发动机在低温条件下首飞成功,他开展了二十多种工况下发动机温度场仿真计算。

集智攻关迎大考  攻坚克难保交付


推进剂的性能直接决定着发动机的推力特性。四院42所推进剂、衬层界面粘接技术研究课题组从细微入手,以小尺寸发动机开展验证。他们用一年的时间反复摸索,调整配方键和剂、固体量以增加推进剂燃烧时长。为保障长时间浇注后的界面粘接性能,在选出最优配方的同时从工艺措施方面进行创新,制定研究方案,确认工艺方法及各项参数,加大对工艺质量控制,降低温度、湿度等环境因素对界面粘接的影响。


产品研制过程中,两个课题组全程做好配套服务。开展大尺寸分段发动机限燃隔热技术等原理性验证,观察记录每一次试车的烧蚀情况,进一步验证限燃层技术工艺,在试验基地一干就是10小时以上,一天下来往往连返程的班车都错过了,分段固化、贴阻燃、组装、试验......终于,全部关键技术顺利通过验证。

CZ-6A固体助推发动机运用了我国目前最大尺寸的复合材料柔性喷管,具有秒流量大、工作时间长的特点。柔性接头作为喷管的关键部件,尤其是轴对称方向上捆绑的两个发动机接头质量一致性的要求极高,43所李瑞珍带领团队迎难而上,综台考虑压力、时间,温度等因素,对大型模具的温场进行重新设计。将近一个月时间里,大家轮流守在柔性接头硫化设备旁,反复调试加热,最终得到了满足要求的产品成型温度场。

喉衬是发动机的咽喉,性能要求苛刻,制备周期长。在李瑞珍带头组织下,团队紧密配合,奋战两百多个日夜,收集数据资料300多份,编写论证报告20多份,经过大量离散分析、仿真、模拟以及试验验证,顺利攻克了“大”与“新”衍生出的一个个难题,产品指标波动最终通过可靠性试验,保证了产品以“零缺陷”顺利交付。


  

CZ-6A固体助推发动机运用了我国目前最大尺寸的复合材料柔性喷管,具有秒流量大、工作时间长的特点。柔性接头作为喷管的关键部件,尤其是轴对称方向上捆绑的两个发动机接头质量一致性的要求极高,43所李瑞珍带领团队迎难而上,综台考虑压力、时间,温度等因素,对大型模具的温场进行重新设计。将近一个月时间里,大家轮流守在柔性接头硫化设备旁,反复调试加热,最终得到了满足要求的产品成型温度场。

喉衬是发动机的咽喉,性能要求苛刻,制备周期长。在李瑞珍带头组织下,团队紧密配合,奋战两百多个日夜,收集数据资料300多份,编写论证报告20多份,经过大量离散分析、仿真、模拟以及试验验证,顺利攻克了“大”与“新”衍生出的一个个难题,产品指标波动最终通过可靠性试验,保证了产品以“零缺陷”顺利交付。


2米两分段超长助推发动机金属壳体加工难度大、精度要求高,尤其对工装设计、装配技术等要求特别严格。为实现超长壳体的加工、如何控制变形、如何寻找到捆绑连接的最优解,7414厂研制人员大胆创新,设计了专用的环形槽和密封槽刀具,尽量缩短刀具悬伸量,保障切削精度。由于分段式结构对接处的大开口形状很不“友好”,变形的风险时刻考验密封的可靠性,他们采用了特殊形状卡槽、销钉结合的连接结构。装配阶段,产品长度远超厂房高度,传统的垂直装配不再适用,为保障后续工序的有效衔接,避免立卧转换造成的冗余环节,他们运用难度更高的水平对接装配技术,利用天车控制分段壳体的水平姿势,通过导向螺杆保证对接的准确性并提供水平方向的拉紧力,最终通过一系列分析及演示实现了分段壳体的水平卧式装配。


实现分段完成装药的燃烧室平稳、可调对接,保证燃烧室整体密封性,是分段式固体发动机成败的关键之一。7416厂创造性首次启用卧式对接技术,为保障壳体对接工作“万无一失”,该厂抽调经验丰富人员成立“专线组”,向卧式对接“矫得圆、对得上、圈不烂”的装配难题发起冲击。首次进行燃烧室卧式总装对接任务,该厂新工房、新设备同时应用,根据生产及产品性能要求,采取两个相同分段同步装药模式。班组成员白天试对接作业完成后,连夜值班开展气密检测,完成壳体分解任务后,随即紧急将另一台壳体吊至转运车辆......


2021年底,是火箭发动机安全机构产品生产交付的攻坚之时。西安疫情突如其来,整个城市再次被迫按下“暂停键”,居家隔离、小区封控、交通暂停……都给承担安全机构生产任务的401所研制团队蒙上了一层阴影。晚上10点多,七室主任朱燚带着研制人员去安全机构生产现场查看,商量好第二天的工作进度后才回到办公室休息。他们已经在办公室封闭办公10多天了,为保障产品按期交付,在做好疫情防控前提下,党员、技术和生产骨干人员主动请缨,吃住在车间,在封闭管控情况下坚持生产。在这个特殊时刻,在岗员工只有正常情况下的三分之一,电装、装配、检验、试验……人人都是“一个顶多个”的多面手,大家心里都憋着一股劲,通宵达旦地干。就这样坚守21天后,这批次安全机构产品顺利完成了生产交付。

固体运载动力的创新发展史就是一部不怕吃苦、敢于拼搏、团结协作的奋斗史。长征系列固体运载动力研制团队始终以“为建设航天强国打造强劲动力”为使命,找准国家所需和团队成长的交汇点,在追逐梦想的路上不断实现新的跨越。

后续,研制团队将重点围绕大型整体式、分段式固体火箭发动机两条研究主线,基于500吨推力整体式固体发动机,开展直径3.5米多分段发动机的研究,实现最大推力达到千吨级以上,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。

                                “甲子再出发,奋斗向未来!

                                在新时代航天强国进军征程中

                                     固体运载团队将坚持

                                        以价值创造为本

                                         发扬奋斗精神

                         继续书写我国航天固体火箭事业的新篇章!

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