我國自主研制的最大分段式發動機試車成功

陳 莎，劉 楊，陳 宏

(中國航天科技集團有限公司四院四十一所，西安 710025)

φ3.2 m三分段大型固體火箭發動機是由航天四院自主研制的迄今我國直徑最大、裝藥量最大、工作時間最長的固體分段式助推發動機。由分段式燃燒室、固定噴管、點火裝置等組成，主要用于集成驗證3.2 m直徑多分段發動機點火-流動匹配性、分段燃燒室密封結構、大尺寸C/C喉襯及噴管擴張段分段連接結構等在發動機長時間工作過程中的可靠性，于2020年底進行地面熱試車并取得圓滿成功(圖1)。

圖1 技術驗證發動機試車照片

航天四院黨委書記任全彬說：“作為“十三五”民用航天技術預先研究項目的標志性成果，本次試驗的成功，進一步驗證了我國大型分段式固體火箭發動機設計方案及其關鍵技術，為未來大型固體助推發動機技術發展積累了經驗，有力推動我國航天新一代運載火箭能力的提升與拓展。”未來大型分段發動機可應用于我國大型、重型火箭上，以滿足我國空間裝備、載人登月、深空探索的不同發展需求。

“固體發動機要真正運用到宇航運載領域，必須具備更大推力”，航天四院大推力固體發動機總設計師王健儒介紹：“分段式固體發動機可實現有限直徑內大裝藥量、大推力、長時間工作等技術需求，是運載火箭實現起飛時刻大推力的有效途徑。根據運載需求的變化，可以通過模塊化組合裝配，增加或減少中間段數量，對裝藥量進行調整，進而實現不同臺階推力的覆蓋，滿足運載火箭不同載荷的需求，同時還可以大幅降低發動機研制難度、研制成本及運輸難度。”目前，作為實現固體發動機大型化的關鍵技術，分段對接技術在國際上被普遍使用[1]。

1 研制大直徑多分段固體發動機的關鍵技術

多分段固體發動機與整體式發動機最大的區別是分段發動機燃燒室需要單段絕熱、單段澆注，然后再對接組合成整體燃燒室。為實現分段發動機大推力、長時間的工作要求，需要突破大型分段燃燒室的連接密封與長時間熱防護、多分段發動機點火與流動匹配性以及大型噴管長時間工作熱防護等關鍵技術。其主要技術難點包括：

(1)大尺寸U型件加工成型與防變形工藝

φ3.2 m發動機殼體U型件整體結構尺寸大，在加工過程中的整體變形也較大，如果不加以控制， U型件將無法進行對接，徑向銷釘裝配不上。因此，需要在U型件加工過程中制定科學的加工工藝，安排合理的時效處理工藝等，確保變形可控。

(2)J型件結構的工藝成型

φ3.2 m分段式固體發動機，J型件成型尺寸大，成型難度大，為增加成型可靠性，采用分瓣模壓整體拼接成型的技術方案。需要解決分瓣J型件固化收縮問題，確保各J型件拼接縫可靠。

(3)NBR與CFBR的復合絕熱結構

φ3.2 m大型燃燒室后封頭部位由于熔渣沉積、氣流沖刷等燒蝕情況嚴峻，為確保后封頭絕熱可靠，采用NBR(普通丁腈類絕熱層)和CFBR(碳纖維增強絕熱層)組成的復合絕熱，NBR用于熱防護，CFBR用于抗沖刷。因此，需要解決不同材料界面的粘接可靠等技術。

(4)多分段固體發動機流動穩定性

多分段發動機各段裝藥之間存在端面限燃結構，發動機工作時藥柱燃面退移速率大于限燃層燒蝕消耗速率[2]，限燃層逐漸暴露于流場中可能引起壓強震蕩和渦脫落。因此，燃燒室內流動穩定性分析是研究重點與難點。

(5)大尺寸喉襯組件C/C材料設計與成型技術

φ3.2 m發動機噴管喉襯組件整體結構尺寸大，為減小喉襯熱應力，解決大厚度致密化難題，需采用分段結構設計，使用適應大尺寸生產的喉襯新工藝-大尺寸中空編織和針刺新型預制體的成型工藝。因此，大流量、長時間工作條件下的中空軸向編織和針刺C/C喉襯結構設計與工藝成型成為研究的難點。

(6)RTM擴張段設計成型與分段連接技術

RTM是一種酚醛樹脂注射成型工藝，通過RTM注射機將樹脂注射到纖維預制體中并固化成型，適用于大尺寸擴張段的生產[3]。目前，已試車成功的最大制品尺寸約φ1 m，但φ3.2 m發動機噴管擴張段出口尺寸達φ2 m。為便于制造和裝配，φ3.2 m發動機將噴管擴張段絕熱層及殼體均分為兩段。因此，需解決出口φ2 m的RTM成型技術及其與基礎段連接密封的可靠性。

(7)分段對接密封質量主動檢測方法和評價準則

分段對接部位的密封質量直接關系著發動機工作的成敗，由于分段對接部位基于現有技術手段無法實現無損檢測，只能通過優化設計結構進行主動式檢測。因此，必須設計簡單、有效、可行的檢測裝置和建立可靠的檢測方法，同時結合已經完成的氣密試驗等形成密封質量的控制準則。

(8)大型分段式發動機裝配技術

大型固體助推器發動機總裝工藝分為臥式裝配和立式裝配兩種。φ3.2 m技術驗證發動機單段質量大，基于現有條件只能采取立式裝配工藝，需要解決立式裝配中發動機起吊、平移、下降對中、位置檢測等一些列問題，確保裝配順利。

研究團隊經過兩年多的技術攻關，提出具體的設計分析方法和工藝保障措施，結合理論分析和單項工藝試驗、性能測試等手段，逐步突破各項關鍵技術和難點，形成一套大型多分段固體發動機的設計理論、工藝方法和研制流程，并通過發動機地面熱試車對各項關鍵技術的突破情況和主要性能指標滿足情況進行了全面考核驗證。其主要技術創新點包括：

(1)分段燃燒室連接密封與長時間熱防護設計

設計了用于φ3 m以上分段殼體“雙U型+錐型銷釘”的輕質化連接、階梯狀三道“O型”密封圈對接方案，提出了分瓣模壓成型工藝方法，并采用J型件預置張角、軸向預置過盈量，絕熱填塊等技術措施，系統解決了分段燃燒室的連接密封及加工制造難題，實現了大型發動機輕質、可靠分段對接，形成了一套大型分段式固體發動機燃燒室連接密封、“J”型絕熱對接結構的設計和成型方法。采用多層復合的絕熱結構以及藥柱結構流場一體化仿真分析等措施，解決了大型分段燃燒室長時間絕熱結構可靠工作問題。

(2)發動機內流場-分段對接結構一體化迭代優化設計

建立了一套適應于大型多分段固體發動機點火、燃燒過程中流場匹配性的精確預示方法，通過內流場-燃燒室分段對接結構的耦合迭代計算與優化設計，實現了大直徑多分段發動機的穩定點火與流動匹配[4-5]，發動機實測內彈道曲線與設計值吻合度較高，為燃燒室分段絕熱對接結構精細化設計提供了關鍵支持。

(3)功能梯度組合式喉襯結構以及RTM擴張段分段對接設計

建立了大型喉襯熱結構可靠性評估方法，采用分段結構，減小了喉襯熱應力，解決大厚度致密化難題。首次，采用大尺寸中空編織和針刺新型預制體的成型工藝，實現了φ1 m以上預制體研制，解決了長時間工作大型喉襯設計與成型問題。建立了大型噴管擴張段分段結構傳熱精確仿真方法，形成了大型碳纖維針刺縫合預制體成型工藝方法，完成了出口φ2 m的大型擴張段實物研制，解決了長時間工作的大型噴管擴張段設計成型與對接問題。

φ3.2 m三分段發動機的研制成功，全面考核了大直徑分段式固體發動機的設計、仿真、材料、制造工藝與試驗等能力。發動機直徑3.2 m，裝藥量90 t，真空最大推力260 t、工作時間134 s，綜合性能指標達到國內領先水平。設計方法均有自主知識產權，使我國大型固體發動機自主創新的研制能力和水平得到進一步提升。

2 先進分段式大推力固體發動機研究進展

一直以來，航天四院立足我國運載火箭型譜化發展需求，按照“直徑由小到大、分段數由少到多、先單項后集成”的總體思路，集中力量開展分段發動機關鍵技術攻關，掌握了分段式固體發動機的設計理論和方法，取得了一系列成果：

2010年4月和2011年7月，航天四院自主研制的φ1 m二分段和φ2 m三分段對接固體助推演示驗證發動機地面熱試車相繼取得成功；2016年4月，國內首臺φ2 m二分段全尺寸工程樣機地面熱試車再獲圓滿成功，并應用于我國新一代中型運載火箭的固體助推器；2016年8月2日，φ3 m二分段大型固體發動機地面熱試車圓滿成功。

目前，研究團隊正在開展綜合性能達到世界先進水平的500 t整體式和900 t分段式大推力的固體發動機研究，全力推進固體動力技術在我國未來新型運載火箭中的應用，助力中國航天飛向更遙遠的宇宙星河。