高压液氧煤油发动机设计研发历程

p30900

“胖五”发动机研制：突破“卡脖子” 不怕失败

发射问天实验舱的长征五号B运载火箭，主要承担我国空间站舱段的发射任务，它也是我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。它强大的动力来源就是发动机，发动机是火箭的“心脏”，是火箭技术含量最高、难度最大的部件之一。长五运载火箭采用液氢液氧以及液氧煤油作为燃料，这是当今世界航天发射的主流技术，也是一个国家成为航天强国的标志之一。

航天科技集团六院西发公司型号系列总工艺师 张和平：这就是长征五号用的发动机，长征五号一共用了八台120吨液氧煤油发动机。这个上面有许多新材料，典型的就是说在燃烧部分用的是高温合金。

高温合金被称为“先进发动机基石”。火箭发动机点火后，最高温度达到3000℃，在这样的高温高压富氧环境下，普通材料瞬间就会被烧成一堆废渣，在实施综合降温措施后，高温合金却依然能够保持稳定。2000年，国家正式立项，液氧煤油发动机进入工程研制，首先要解决的就是研发高温合金。负责技术的主管单位从事材料研发应用有几十年的经验，信心满满，然而他们研发的叶盘刚上试车台几秒钟，大家就傻眼了。

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普：最早试车的时候，因为对工艺参数也不掌握，我们也心里没底，所以试的时候只要工艺参数稍不对一些，那材料两三秒钟就像天女散花一样就没了。

中国钢研科技集团特殊钢研究院副所长 苏杰：我们曾经遇到过同样的原材料、同样的炉子，前后炼了两炉，有一炉合格，有一炉就不合格，所以可见它的工艺窗口确实很窄。

突如其来的失败让大家高涨的热情瞬间降到冰点，国外专家甚至说，即使中国人能把液氧煤油发动机设计出来，也无法制造出来。国外专家的话并非没有道理，作为主任设计师的葛李虎跟同事估算，发动机需要的新材料达30多种。

没有基础，就下定决心从头开始。跟火箭发动机打了一辈子交道的葛李虎是个有心人，这一本本有些发旧的记录本，记录了葛李虎30多年间在火箭发动机研制过程中遇到的所有问题，这120个记录本，也成为解决问题的一把钥匙。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：这件事情怎么讨论的，这个是谁怎么发言的，最后怎么解决的，工厂有什么问题，不要设计员去到工厂去处理，你说一个意见，我说行，你说不行，这样子的话叫作矛盾，你知道吗？

中国钢研科技集团高纳公司科技委副主任 赵光普：大伙都叫他（葛李虎）拼命三郎，深更半夜给我们打电话，礼拜六礼拜天打电话，这种全身心地投到航天里边的精神特别感染我们。

在葛李虎的感染下，研制团队重燃斗志，踏上了新的攻关之路。高温合金是以铁、镍、钴为基础，加入大量其他合金冶炼而成。研制团队专门做了燃烧着火的装置，通过不断调整配方的化学成分，在两年中做了上百次试验，从起初的小炉研制，到逐步扩大试生产，终于研制出了抗高温高压的高温合金。

没有从国外进口一克原料，我国研制的高温合金性能水平超越了国外同等类型合金，现在这种合金已经分别应用于航空发动机、液氧煤油发动机、液氢液氧发动机等国家重大工程项目。通过液氧煤油发动机研制，还牵引了高强度不锈钢等50多项新材料的创新，填补了我国这些材料研究的空白。

揭秘“胖五”发动机研制：每一步都无比艰难

对于发动机来说，攻克了材料的难关，只是万里长征走完了第一步。接下来每一步都无比艰难，这是一次发动机试车的画面，刚研制完成的发动机，在试车台上一点火就爆炸了。在液氧煤油发动机研制的初期，包括这样的爆炸，失败接连发生了四次。

2001年，对于液氧煤油发动机的研制团队来说是最艰难的一年。这一年，进行了四次整机试车，均未成功，其中还连续两次发生了爆炸，这在中国航天的历史上也是绝无仅有的。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：零点几秒全部炸完，炸完了以后，连一个中间的零件“尸首”都找不到，不知道到哪里去了。没了，烧完了，所以对我们试验的分析工作带来了很大的困难。因为你找到“尸首”以后，看看哪个摩（擦）痕（迹），哪个地方碰的，哪个地方撞的，这是可以分析出来。连“尸首”都找不着了，你分析啥。

接二连三的失败，对研制团队来说，无异于一次次的沉重打击，一次试车成本上千万元，更重要的是试车不成功，新一代运载火箭的研制就无从谈起。面对心灰意冷的团队，压力最大的主任设计师葛李虎给大家打气鼓劲。

时任航天科技集团六院十一所液氧煤油发动机主任设计师 葛李虎：失败是肯定会失败的，百分之一百的失败，没有失败，不可能有一个新型号。

问题暴露了，但要找到解决问题的关键却谈何容易，面对成百上千的零部件，怎样才能使发动机平稳顺利地起动呢？研制团队重整旗鼓，从爆炸碎片中分析故障原因。一个阀门问题的试验，他们连续做了100多次，白天做试验，晚上就分析数据、装配产品，最长的一次，300人在厂里住了整整3个月。经过近一年的探索，终于看到了希望的曙光。

航天科技集团六院液氧煤油发动机副总设计师 陈建华：发动机在2002年一次试车中，试车时间仅仅只有5秒钟，很快就过去了，当时我就在现场。那么这一次试车的成功就标志着我们国家对于液氧煤油发动机起动技术的掌握，现在回忆起来还是记忆犹新。

2006年，液氧煤油发动机进行了600秒长程试车，取得成功。2016年，液氧煤油发动机在长征五号首飞任务中获得成功。接下来，它还在我国首次火星探测任务、嫦娥五号、空间站天和核心舱的发射中发挥着重要作用，每次动力系统的表现都非常完美。

航天科技集团六院副院长 马双民：通过发动机的研制，也完全掌握了高压液氧煤油发动机的全套的技术，研制出了我们具有完全自主知识产权的大型火箭发动机，支撑了我们运载火箭动力的更新换代。