目标千吨!我国整体式固体火箭发动机试车成功

发布时间 :2021-10-28 浏览次数 : 255
       本月19日,由我国自主研制的世界最大推力整体式固体火箭发动机试车成功,为我国千吨级推力固体发动机的发展奠定了坚实基础,标志着我国固体火箭运载能力实现大幅提升。
       这款固体火箭发动机由中国航天科技集团四院自主研制,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。

       火箭发动机分为几类?我国为制造这款固体火箭发动机克服了哪些困难?固体火箭发动机承担哪些任务?

火箭发动机有哪些分类?具有什么特点?
       火箭发动机可以分为化学火箭发动机和电推进火箭发动机。化学火箭发动机又可以分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和固液混合火箭发动机。电推进火箭发动机包括霍尔电推力发动机和离子火箭发动机等。
       化学火箭发动机,将化学反应产生的热量转化为机械能推动火箭。化学火箭发动机携带的燃料和氧化剂可发生氧化还原反应,氧化还原产生的巨大能量对燃气进行加热,被加热的燃气从喷管中高速喷出,从而产生极大推力。
       航天科工二院研究员、国际宇航联合会空间运输委员会副主席杨宇光表示,实际上,日常生活中使用的汽车发动机、航空发动机与火箭发动机类似,三者都属于一类热机,但火箭发动机有其特殊性。
       首先,汽车内燃机与航空发动机可以只携带燃料,利用空气中的氧气进行化学反应产生能量。但火箭发动机不仅要携带燃料,还需要携带氧化剂。因为随着高度的增加,大气密度越来越低,大气层外已没有足够的氧气用以支撑化学反应。其次,火箭发动机并不是高效率热机。火箭发动机的转化效率不高,它的强推力主要得益于它的高功率特性。
       液体火箭发动机和固体火箭发动机都属较常用的火箭发动机类,但二者的性质却恰恰相反。固体火箭发动机更易产生大推力,但固体火箭发动机转化效率低于液体火箭发动机。在衡量火箭发动机效率方面,有一个重要的指标——比冲。比冲以“秒”为单位,可简单视作火箭发动机的高温燃气喷出的速度。目前效率最高的液体火箭发动机在真空条件下的比冲可以达到450秒以上,一般的固体火箭发动机在起飞时的比冲仅有240秒左右。但固体火箭发动机的推力较大,目前最大的固体火箭发动机的推力接近1500吨,这是液体火箭发动机难以达到的推力数值。两种火箭发动机的不同性质决定了二者的应用场合也不同。


研制固体火箭发动机面临哪些困难?
       我国研发的此款火箭发动机直径达3.5米,推力达500吨,位于世界领先水平。在研发过程中,研究人员需要解决一系列的难题。
       首先,固体火箭发动机的研制单位容易发生安全生产事故。固体火箭发动机的推进剂为固状,将氧化剂和燃烧剂处理成为药柱,药柱的成型非常困难,同时具有一定的危险性。
       其次,燃烧室的壳体制造也颇为复杂。火箭推进器占火箭整体的比重越高,火箭发动机的加速能力就越强。因此,研究人员希望尽可能减小火箭的壳体重量。但发动机的药柱燃烧时将产生高温和高压,为了提高壳体抗高温和抗高压的能力,壳体需要有一定厚度。目前为了解决这个问题,我们通常采用碳纤维缠绕技术以提升发动机的抗压能力。
       第三,固体火箭发动机的喷管制造更为困难。为了提高火箭发动机的喷流速度,化学火箭发动机需要使用拉瓦尔喷管。拉瓦尔喷管先收缩,后扩张,实现高温燃气的超音速喷射。固体火箭发动机在燃烧的过程中会产生固体颗粒的残留,固体颗粒将会严重侵蚀和冲刷喷管的喉部,拉瓦尔喷管的制造需要采用特殊的材料和工艺,保证其喉部不仅能够承受极高的温度,还耐冲刷、耐磨损。同时,由于运载火箭飞行过程中会产生姿态偏差,且其本身也有改变方向的需求,因此喷管必须能够摆动。摆动喷管中有很多的活动部件,如何使活动部件既能运作,又能抗高温、高压也是一个技术难题。
       第四,固体火箭发动机难以控制。固体火箭发动机的推进剂储存于燃烧室中,一旦开始燃烧就很难停止。
       总体而言,我国在制造固体火箭发动机方面依旧存在部分技术难题亟待攻关。


固体火箭发动机将承担什么任务?
       固体火箭发动机主要有两种使用途径。
       一是应用于小型运载火箭上。固体火箭发动机的储存和运输相较于液体火箭发动机更为便利,且由于其结构更为简单,无需经过复杂测试就可以直接发射,适合应用在小型载荷火箭、小型卫星的发射上。
       二是作为重型运载火箭的助推器。我国未来不仅要建设永久有人长期驻留的空间站,还要建设月球基地,这意味着我国需要更大规模的运载火箭。固体火箭发动机可以作为大型或超大型运载火箭的助推器。为了满足重型运载火箭的发射需求,我国未来将在500吨级单个整体式固体火箭发动机的基础上,进一步攻关分段式装药技术,将发动机的推力提升至千吨以上量级。
       我国固体火箭发动机已经顺利完成地面试车。杨宇光表示,未来还需要研究人员进行一系列试验工作,攻克关键技术。

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