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专家详解“神七”过五关

2023年10月08日

西安的航天推进技术研究院承担了神舟七号所有动力系统的研制工作,其中火箭一、二级发动机和助推发动机的设计、研制任务全部在西安完成。日前,载人航天工程运载火箭系统副总设计师段增斌讲述了火箭研制中鲜为人知的感人事迹。

“神舟七号任务的最大特点是三人飞天,并进行太空行走,这些任务的完成是以运载火箭的可靠、安全工作为前提的,负责将神舟七号飞船送入太空的CZ—2F运载火箭全长58米,起飞质量超过480吨,是我国目前最大、最重的运载火箭,也是我国目前可靠性最高、测试、发射技术最为先进的运载火箭,点火后,在10分钟之内发动机系统会将飞船沿预定轨道加速,高度超过200公里,足迹遍及甘肃、内蒙古、陕西、山西、河北、山东六个省行程4000余公里。

段增斌介绍说,在这10分钟内,助推发动机、一、二级发动机要经过起动、关机、一、二级分离、二级超长工作和大过载五大关口的考验。

起动关。发动机起动过程对发动机是个巨大考验,发动机起动过程中各参数变化很快,温度从常温瞬时上升到3000℃以上,压力从常压增加到130个大气压以上,成千上万个零件同时满负荷工作,几万条焊缝同时受到剧烈冲击和振动,几十个火工品在1秒内按预定程序必须有序起爆,任何一个火工品不爆或误爆,任何一个焊缝、零件故障都会出现灾难性故障,因此发动机工作过程中出现的故障大多发生在起动段瞬变过程中。要成功飞行必须跨过起动关。从发出点火指令到火箭起飞,需等待4秒左右,但这对发动机研制人员则是漫长的等待和煎熬,如果到6秒左右火箭还不起飞,就实施紧急关机,标志着发射失败。

关机关。关机过程则是对发动机的另一考验,与发动机起动过程相反,关机过程参数很快从额定值变到零,推力必须在半秒内降到额定推力的5%以下,另外,关机时各个部件动作必须协调,先后顺序和时串必须准确无误,否则会引起烧穿或结构破坏。

一、二级分离关。一、二级发动机分离过程更为繁杂,首先必须保证一级推力快速下降,以保证分离后一级不至于与二级相撞,以前其它型号的发射就曾出现后面级分离后,追上来与前面火箭相撞的现象。其次,一、二级分离过程四台游机推力必须同步,整个二级发动机从火箭舱体脱出过程中不能与舱体发生碰撞;国外就多次出现级间分离故障导致发射失败的现象。

二级超长工作关。完成一、二级发动机分离后,二级发动机就面临着超长时间工作的考验,就目前来说,在所有型号中,CZ—2F火箭二级主发动机工作时间是最长的,超过300秒。二级发动机工作在大气层外,发动机火焰喷出喷管后,迅速向四周膨胀,形成伞形羽毛状火焰笼罩在整个二级发动机周围,使二级发动机处于超高温环境中,随着发动机工作时间的增长,涡轮泵转动部件的磨损,动密封耐久性,振动引起结构连接的松动和振动破坏等因素严重影响着发动机的可靠性,经验表明,随着工作时间的增加,发动机可靠性持续降低。

大过载关。二级发动机工作过程中,飞船飞行加速度急剧提升,发动机过载急剧增加,最大超过5G,这时候人是站不起来的。此时,发动机承受振动、压力、疲劳、温度等载荷外,每个零、部件都要承受5倍的重力,这对发动机无疑也是个重大考验。

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