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载入中国商业航天史的20秒:蓝箭航天“天鹊”点火试车成功

时间:2018-09-28 22:53来源: 作者:admin 点击: 10 次
9月27日,DT君在现场见证了中国商业航天公司蓝箭航天自主研发的80吨液氧甲烷发动机天鹊(TQ-12)短喷管推力室热试车,推力室在蓝箭航天位于湖州大山中自建的试车台进行了20秒的短程点火试车并取得成功。这为“天鹊”(TQ-12)发动机后续的全系统试车以及“朱雀二号”液体运载火箭的首飞也增添了一抹亮色

9 月 27 日,DT 君在现场见证了中国商业航天公司蓝箭航天自主研发的 80 吨液氧甲烷发动机天鹊 (TQ-12) 短喷管推力室热试车,推力室在蓝箭航天位于湖州大山中自建的试车台进行了 20 秒的短程点火试车并取得成功。这为“天鹊”(TQ-12)发动机后续的全系统试车以及“朱雀二号”液体运载火箭的首飞也增添了一抹亮色,中国商业航天在坎坷的赛道上正加速向前。

图丨天鹊 (TQ-12) 短喷管推力室热试车(来源:蓝箭航天)

发展航天,动力先行

马斯克成就 SpaceX 的传奇之后,全球无数继起之追赶者。但当包括 SpaceX 和蓝色起源都将精力瞄准了一种不同寻常的发动机——液氧甲烷发动机之后,竞争变得更加激烈。

和目前世界各国已经使用多年的煤油、液氢乃至被视作“毒物”的偏二甲肼/四氧化二氮相比较,液态甲烷具备成本低、较易贮存、无毒无污染、维护方便的特点。而作为低温推进剂的液态甲烷,其黏度低(为煤油的 1/3)、结焦和积碳现象少等优点明显。

图丨甲烷燃烧(来源:Wikipedia)

如果单纯从应用层面来说,液态甲烷存在着密度较小、饱和蒸汽压高,致使密度比冲偏小且燃料泵的抗汽蚀性能不易保证等固有缺点。但对于按照商业化思路来经营的民营公司来说,最为重视的还是性价比,这个时候,甲烷的优势就体现出来了。以蓝箭航天此次的短喷管推力室热试车为例,其使用民用甲烷的价格仅为每公斤 3 至~5 元,成本只有不到液氢的三十分之一。

更重要的是,不易结焦的特性使得以液氧甲烷为燃料的发动机同样具有优秀的重复使用潜力,可以保证发动机具备几十次甚至上百次的使用次数,这对于亟待依靠大规模重复使用来降低发射成本的卫星公司来说可谓是莫大的喜讯。

图丨SpaceX 的猎鹰9号定义了经典的“可回收火箭”(来源: SpaceX )

鉴于液氧甲烷推进剂以上种种的优点,美俄等主要航天强国都不同程度地开发过该类型的发动机。目前,全球范围内最知名的液氧甲烷发动机厂商就是美国的“航天双子”——“钢铁侠”马斯克旗下的 SpaceX 和首富贝索斯执掌的蓝色起源。

图丨BE-4与“猛禽”两款发动机(来源:Reddit)

可以说,无论是 Raptor(猛禽)还是 BE-4 都绝对符合大型火箭发动机的标准,而且这两款发动机都已经进入到了地面测试和小批量生产阶段。其中,BE-4 更是成功将 Aerojet Rocketdyne 的 AR-1 发动机击败,拿下了联合发射联盟(ULA)下一代火神(Vulcan)火箭的一级发动机的大单。

而将视线放回国内,蓝箭航天是目前在液氧甲烷发动机领域进展最快的民营航天公司。2018 年 3 月,“天鹊”(TQ-12)80 吨液氧甲烷发动机推力室设计工作完成,9 月 1 日短喷管推力室顺利交付,在 9 月 24 日,已经进行了 1.5 秒的箱压点火试验和 5 秒的短程试验,9 月 26 日进行了 10 秒短程试车。需要注意的是,该型短喷管推力室与“天鹊”(TQ-12)发动机最终的全状态推力室版本相比不包含喷管延伸段,喷口面积比为 4:1。

图丨“天鹊”(TQ-12)80 吨液氧甲烷发动机(来源:蓝箭航天)

推力室通常由喷注器、燃烧室、喷管延伸段组成。短喷管推力室就是包含了喷注器和燃烧室的推力室,与全状态的推力室的差别仅在于没有喷管延伸段。推力室研制的核心问题是燃烧特性和燃烧室冷却性能,因而采用短喷管状态代替全状态推力室,可以满足大部分关键项目的测试需求,如喷注器燃烧效率测试、燃烧稳定性测试、冷却夹套传热性能测试、结构可靠性测试等等。以短喷管推力室先行试车,待推力室状态稳定后,再加上喷管延伸段进行全状态考核,这是世界范围内氢氧发动机研制上常用的做法,可以大幅度加快研制进度。

主持该产品研发的蓝箭航天高级工程师袁宇表示,大量的试验是发动机研制成功的必要条件。液体火箭发动机集燃烧、传热、流体力学、结构力学、低温技术、测控技术等多种学科与技术于一体,仅仅依靠仿真计算无法满足发动机的研制,必须开展各种大量的试验,一台成熟稳定的发动机,累计试车时间要达到 20,000 秒以上。

9 月 27 日短喷管推力室热试车在 60% 的工况条件下进行,目的是验证“天鹊”(TQ-12)发动机推力室四个方面的内容:

一、即验证喷注器在低工况下的燃烧效率,探索喷注器的节流工作下限;

二、验证推力室低工况下的燃烧稳定性,获得压力波动及相关的震动数据;

三、验证再生冷却与气膜复合冷却方案的热防护性能,获得甲烷超临界换热性能数据;

四、验证喷注器结构和材料新方案的可靠性;为后续产品的试验打下了的基础。

值得注意的是,本次短喷管推力室试车是在蓝箭航天自建的高压挤压试车台上进行的,这也是国内唯一的民营热试车台,主管试车台的高级测试系统工程师张昉介绍,该热试车台高压挤压能力国内领先,气源压力高达 35MPa,贮箱压力最高可达 32MPa,单侧贮箱容积 4m?,综合指标可以名列全国前三甲。

图丨试车台试车现场(来源:DeepTech)

而就在该试车台的旁边,已经计划建造 120 吨级的发动机全系统试车台,预计将会在明年春节期间完成,届时,完全状态下的天鹊 (TQ-12) 发动机将迎来更为全面完整的考验。

量产火箭,智能制造

在距离热试车台约 20 公里的黄芝山下,蓝箭航天的智能制造基地坐落于此。未来,火箭部分零组件的测试和最终的总装都将在这里进行。

图丨蓝箭航天智能制造基地(来源:DeepTech)

制造基地总共分为 5 各区域,分工明确:

冷态试验区:用于液体火箭发动机零件、组件的各项性能测试。包括液流试验台、气流试验台、低温轴承试验台、低温动密封试验台、阀门高压试验台、液压试验系统、真空烘干箱、阀门低温试验台、振动试验台、高低温环境试验台、泵水力试验台等。可开展百吨级以下推力发动机组部件的各类性能及典型试验,也可进行液体火箭组部件的相关性能试验;

储箱生产区:用于火箭贮箱的生产制造,配有大型的搅拌摩擦焊和环焊设备;

发动机装配区:用于液体火箭发动机各部件及整机的装配,保持恒温恒湿的环境。包含阀门装配试验、涡轮泵装配试验、发动机总装试验,其中阀门装配区域为 10 万级洁净间;

制造检测区:用于箭体及发动机零组件的制造、检测等;

火箭箭体总装区:用于火箭箭体总装、总测,具有高精度的水平对接装置。在此完成箭体发动机的对接、火箭的整件装配。

目前,蓝箭航天智能制造基地基础设施建设全部完工,发动机试验总装区域逐步投入使用。今年春节,天鹊发动机将进行全系统试车,2020 年,第一台 80 吨液氧甲烷运载火箭将在这里组装完成。未来,蓝箭航天在湖州的智能制造基地将具备 200 余人办公生产规模,到 2022 年,将形成年产 200 台发动机,15 枚中型运载火箭的能力。

商业航天,中国航天

中国航天事业如今已经走过 60 余载的岁月,结出了丰硕的成果,中国一步步从一穷二白发展至如今的航天大国。但相比之下,以蓝箭为代表的中国商业航天从 2015 年艰难起步,至今不过 3、4 年的光景。

图丨“中国航天之父”钱学森(来源:Wikipedia)

对于整个中国的航天产业而言,一段时间以来纷纷扰扰的争论和声音并不应该仅仅局限于“国”与“民”孰进孰退的困局中,真正需要被了解的向往太空的无数个个体——从业的工程师、热心的爱好者、报道的媒体人……毕竟他们共同构筑成了伟大事业的根基。

1992 年,解放军总装备部政治部作曲家曹进来到一个位于深山里的导弹基地体验生活。在那里,曹进看到的是不便的交通和艰难的生活环境,但也恰恰就是在这里,驻守的解放军们依旧任劳任怨,以自己的力量扛起了祖国的国防事业。

临行时,曹进接过战士们送给他的香烟,却发现满满的烟盒里装满都是他自己原本送给战士们的香烟。或许是情至深处,亦或是心生感动,创作的灵感激发出了曹进写下了一首《祖国不会忘记》。

在征服宇宙的大军里

那默默奉献的就是我

……

在通往宇宙的征途上

那无私拼搏的就是我

图丨油画《光荣岁月》描绘了“两弹元勋”们在导弹发射场等待发射的情景(作者:骆根兴)

寥寥几句歌词描绘出了国防和航天工作者在当时最真实的生活写照,是对“两弹一星”精神最好的诠释,也逐渐成为中国航天最好的推广曲。

2016 年,中国商业航天艰难起步时,一首五月天的《顽固》再次引起了众多航天人和关注太空的爱好者的共鸣。

你当时相信

的那些事情

会在如今

变成美丽风景

……

在这个以航天工程师为主角的 MV 中,梦想是最好的主题。这或许并不仅仅是个巧合,就如同谷歌创始人拉里·佩奇所说的那样,“我不担心苹果、Facebook 来争抢人才,因为我为谷歌编制了一个足够宏伟的梦想和愿景,但我唯一担心的就是 NASA,因为他们的梦想是全宇宙。”

图丨NASA的梦想(作者:Karina Eibatova)

两个年代,两首歌曲,唱出的不仅仅是两个不同的心境,也是处在转型时期的中国航天最容易激发出来的碰撞与矛盾。

破解前进路上的种种困局,塑造中国航天的新面貌,绝非一朝一夕可以完成。就在湖州,这里见证了 2000 多年前勾践夫差的吴越之战和霸王项羽率八千江东子弟西击暴秦。在改革的路上,中国航天依旧需要“有志者, 事竟成”的信念和“苦心人,天不负”的勇气。

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