以重型之力，夯強國之基

王盈

2022年11月5日，深秋的秦嶺五彩斑斕。在這最美的時候，身處山中，卻沒人有心思賞景。隨著“點火”指令發出，前所未有的強大能量撼動著整個抱龍峪試驗區，500噸級液氧煤油發動機首次整機試車在此進行。從發動機推力室噴射出的熊熊火焰，將導流槽中的冷卻水升騰成云霧般的水汽，縈繞山間。

平穩工作一段時間后，發動機順利關機，巨龍咆哮仍回蕩在耳邊，測控大廳響起熱烈掌聲，宣告著目前我國推力最大的液體火箭發動機，也是世界上推力最大的雙噴管補燃循環液體火箭發動機，取得研制歷程中里程碑式的突破。

強勁動力：為逐夢太空提供更多可能

回顧美國和俄羅斯的航天發展歷程，液氧煤油發動機以其高密度比沖、無毒環保、使用成本低等優點，廣泛應用于運載火箭和航天飛行器，是運載火箭主動力的理想選擇。

我國從長征六號首飛開始，將120噸級液氧煤油發動機應用于新一代運載火箭的主動力，在近10年數十次的飛行中，發動機以超過百臺交付飛行產品全勝戰績，助力探火、探月、空間站建設等重大工程任務，書寫了新一代“金牌動力”高可靠性的傳奇。

重型運載火箭副總設計師陳暉介紹，500噸級液氧煤油發動機是目前國內推力最大的液體火箭發動機，“相比現役120噸級液氧煤油發動機，推力提高3倍，海平面比沖提高2.7%，推重比提高22%，綜合性能達到世界先進水平，可應用于大型、重型運載火箭，為滿足中國月球科考站建設、深空探測等航天活動，提供強勁的主動力選擇，進一步拓展和豐富了航天液體動力產品譜系”。

縱觀世界航天史，單看推力指標，尚有珠玉在前。

20世紀60年代，美國研制了680噸級推力開式循環的F-1液氧煤油發動機；20世紀70—80年代，蘇聯在大推力高壓補燃循環液氧煤油發動機技術方面取得突出成就，成功研制了740噸級推力的RD-170發動機。“但作為世界上推力最大的雙推力室液氧煤油發動機，綜合推力、比沖、推重比等多個指標來看，500噸級液氧煤油發動機的綜合性能，已達到世界一流水平。”陳暉說，“同時，發動機采用了泵后搖擺布局方案，填補了國內空白。”

發動機的推力有多大，航天事業的舞臺就有多大。F-1液氧煤油發動機作為土星五號重型運載火箭的主動力，托舉著人類成功邁出了載人登月的歷史步伐；RD-170發動機為能源號和天頂號等運載火箭提供了強大動力，造就了航天史上的一代傳奇。

陳暉說：“500噸液氧煤油發動機的研制，可為我國未來重型運載火箭提供強大動力，也可應用于多種構型的大型和中型運載火箭，為大幅度提升我國進入空間的能力，提供強大的動力基礎。”

創新超越：實現多個國內首次

據重型發動機總體室主任邢理想、渦輪泵研究室主任許開富介紹，團隊在500噸級液氧煤油發動機上實現了多個國內首次：自身分級起動、多噴管泵后搖擺、起動關機和工況調節機電一體化控制技術、圓管式擴壓器……“可以說，它代表著我國液體火箭主發動機技術水平有了階躍式提升，有力拉動相關工業技術發展。”邢理想說。

首屈一指的關鍵技術，在于泵后搖擺。所謂泵后搖擺，是指將搖擺裝置后置，使發動機在飛行過程中僅搖擺推力室部分就可實現推力矢量變化。相比于傳統方案，能夠有效減小發動機尺寸、減輕發動機結構重量、降低搖擺力矩。

不僅如此，泵后擺發動機減小了發動機輪廓尺寸和重量，在箭體中需求空間減少，可以在不增加箭體直徑的基礎上增加發動機的數量，提高火箭的有效載荷；降低了搖擺力矩，改善了使用維護性，推力得到提升的同時，可靠性更高。

“發動機搖擺的關鍵在于運動裝置，運動裝置的核心在于耐高溫高壓波紋管技術——這是一項之前世界上沒人能啃下的‘硬骨頭’。”主任設計師楊颯說，“在超過600 千克/ 秒的大燃氣流量和高達500℃的富氧燃氣溫度下，耐高溫高壓波紋管既要動作靈活，又要工作可靠、‘指哪打哪’，還要保證其強度和壽命，實屬‘魚和熊掌必須兼得’的要求。”

研制團隊通過細致分析，聯合高校開展攻關，歷經10多年，最終掌握具有完全自主知識產權的關鍵技術，攻克這項世界級難題。

對液體火箭發動機來說，起動、關機過程堪比“生死關”，而補燃循環500噸級液氧煤油發動機的起動，更是難上加難，不僅需要各部組件起動的先后順序、時間間隔非常精確，團隊還面臨著一項前所未有的考驗——強大的起動沖擊。

“起動沖擊是指發動機在點火瞬間產生的壓力峰對發動機結構的沖擊。”主任設計師馬冬英介紹，“幾百毫秒內，發動機推力從0攀升到超過5000千牛，巨大的沖擊和震動，會嚴重影響發動機的結構狀態。”為了解決這個問題，團隊設計了分級起動的方案，通過精準控制推進劑的流量，確保發動機可靠點火后，使推力逐步攀升，最終達到額定狀態。

此次整機試車，驗證了分級起動技術，標志著我國在火箭主動力的起動控制上，創造了國內第一，達到了國際先進水平。

大跨越：大塊頭有大智慧

500噸級液氧煤油發動機不僅是大力士，更是大塊頭。發動機長約3.3米，寬約3米，高約4.3米，現役120噸液氧煤油發動機在它面前就是小弟，而配套長征二號、三號、四號系列火箭的常溫推進劑火箭發動機就顯得更袖珍了，不到500噸級液氧煤油發動機的1/2。

閥門研究室主任設計師陳維宇形象地描述著：“500噸級液氧煤油發動機液氧管路直徑近500毫米，和成年人的大腿一般粗，液氧主閥更是比一個足球還大，每秒流過液氧主閥的液氧達到了1噸以上，是世界上用在火箭發動機上流量最大的液氧閥門。”時鐘每滴答一聲，就有超過1噸的液氧流經液氧主閥，與燃油在燃氣發生器燃燒，產生燃氣吹動渦輪，帶動泵為液氧和煤油增壓，最終在推力室完成燃燒產生推力。

“能駕馭這一系列復雜過程的，都是些大家伙。”推力室研究室副主任盧鋼介紹。除了世界上流量最大的液氧閥門，500噸級液氧煤油發動機還有著世界上流量最大的燃氣發生器、高壓補燃推力室。而推力室內燃氣的核心溫度，達到了驚人的3000℃以上。“這是屬于補燃發動機的火熱心臟。”盧鋼說。

500噸級液氧煤油發動機四肢發達，“頭腦”卻不簡單。這個大塊頭，同時也是一臺“智慧發動機”。

據重型發動機總體室副主任張曉光和電氣系統主任設計師魏京芳介紹，由于采用了先進的機電伺服控制技術，500噸級液氧煤油發動機具備大范圍、高精度、快速調節推力能力，設計團隊還獨創了“數字控制三余度、功率驅動雙余度”的驅動控制方案，以及“系統功能失效安全”的故障保護策略，進一步保證了發動機調節控制的可靠性。

起飛前，500噸級液氧煤油發動機可對自身狀態進行健康診斷，確認狀態正常后，快速轉入額定工況實現起飛。飛行過程采用在線實時健康診斷技術，實時進行健康監測，及時向總體“匯報”發動機工作狀態，一旦出現異常，可關閉故障發動機，由總體根據任務需求下達指令，調節其他發動機推力，重新優化彈道，實現彈道重構，將載荷送至目標軌道，從而極大提高火箭飛行的可靠性。

此外，團隊還提出基于泵位移突變檢測的發動機渦輪泵故障監控方案，有效解決了大推力發動機渦輪泵軸向力特性預示困難、位移傳感器易故障等造成的誤檢和漏檢等難題。“是國內首次，更是國際首次。”主任設計師蒲星星自豪地說，“我們的‘智慧發動機’不僅能適配‘智慧火箭’，如果再加上多次點火等功能，發動機還可拓展應用至可重復使用領域，滿足更多任務需求。”

新紀元：首次實現全數字化三維協同設計

三維設計是未來機械產品發展的趨勢。航天六院順應國家推進革新數字化模式的潮流，決策在重型液氧煤油發動機的研制中率先采用全三維數字化設計。

“從接口協調、組件設計到整機設計，500噸級液氧煤油發動機必須全部實現三維設計。作為第一個‘吃螃蟹’的研制團隊，我們深感舉步維艱。”重型發動機總體室副主任趙劍和秦紅強回憶著。

副所長高玉閃總結道：“在研發模式轉型過程中， 整個團隊迎難而上，擔起了‘探路者’的責任——抓總搭建了基于Pro/E+Intralink+Avidm協同設計平臺，又乘勝追擊，打通了基于TC+NX協同設計平臺的數字化設計之路，進一步推廣了液體火箭發動機數字化協同設計；建立廠所IPT（Integrated ProcessTeam，簡寫為IPT，一種新型組織架構模式，譯為綜合進程小組）團隊，將協同理念貫穿三維模型設計過程，工藝提前介入研制流程，設計與工藝充分交底，減少方案反復，提高溝通效率；首次將IPT會簽引入三維模型審簽流程，實現了設計執行過程全要素的顯性化，提升了圖樣審簽過程完善度，確保設計文件、工藝信息的準確交互和傳遞。”

同時，設計團隊系統梳理數字化研制經驗，牽頭梳理、編寫、發布了30余項院、所數字化標準，進一步規范了液體火箭發動機數字化研制流程和方法，促進了全三維數字化研制模式在其他型號的推廣和應用。

基于全數字化三維模型，設計團隊開展了拓撲優化，大幅度減輕發動機重量；首次建立了包含真實物理特性的發動機和聯試裝置全三維數字樣機，在研發過程中，進行了各組件多物理場環境、系統及組件極限偏差、多敏感因素綜合偏差的極限包絡、發動機系統級匹配特性等全面的仿真分析，降低試驗風險；將仿真工作納入研制流程，仿真分析報告和仿真模型按照編、校、審批進行管理，通過試驗數據進一步修正校核仿真模型，固化仿真成果，并建立了仿真評估標準。

通過本次整機試車，全面驗證了三維設計、生產、試驗的研發流程，貫穿“數字世界多次迭代，物理世界一次成功”的理念，大幅度提高了研制效率，使發動機總體及組件性能達到國際先進水平。

新起點：航天強國建設進入快車道

試車成功那一刻，所長張曉軍感慨道：“500噸級液氧煤油發動機，是我國航天液體動力最高水平的典型代表，整機試車一次成功是中國航天動力發展史上的大事件，將助推我國由航天大國向航天強國邁進！”

中午的抱龍峪，被久違的陽光籠罩，萬山紅遍，層林盡染，震耳欲聾的發動機轟鳴戛然而止；緊接著，傳來震耳欲聾的掌聲和歡呼聲。

試車短短數秒，團隊卻為此付出了十余年。有設計員感慨，項目確立之時，孩子剛出生，發動機整機試車，孩子已到初二，發動機像是自己的另一個孩子。這重達6噸多的大國重器，究竟傾注了多少心血，只有團隊中的每個人最清楚。

好在，念念不忘，終有回響。

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