刚踏出办公室的唐牧星,又转身回来拿上了电吹风。上次成功点火后,总师组织团队彻夜开会,决定调整火箭推力室内部材料选型。急性子的他,每次都等不及新零件清洗后的自然晾干再进烘干箱,这把电吹风,无意中成了缩短研发周期的一个新帮手。

 

在过去的一百天里,蓝箭航天团队集智攻关,在中国首台民营液氧甲烷运载火箭发动机上完成了许多这样的技术迭代。春节前,10吨级缩比推力室成功地进行了两次点火试验。今天,团队经过缜密准备,决定进行第三次点火。

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(喷注器液流试验)

 

团队按照工艺规程进行推力室气、液流试验、液压强度及气密性检查后,推力室被安装于试车台上,一系列检查合格后,试验指挥员发出指令:“点火!” 。瞬间,一束蓝色火焰倏闪而至,砰訇有声,甲烷独有的马赫环清晰可见,纯净壮丽。随着一声“关机!”的口令,测试设备上跳跃的曲线和变换的数字归于短暂的平静。随后,更热烈的掌声和欢呼声响起,指挥员宣布:各项参数符合预期,点火试车全部成功!

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(第一次点火)

 

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(第二次点火)

 

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(第三次点火)

运载火箭是商业航天的基础,液体发动机则是液体运载火箭的动力之源,而“发展航天,动力先行”。作为液体发动机的核心结构,推力室主要由头部(喷注器)、燃烧室和喷管三部分构成,推力室在高温高压环境下工作,燃烧室内燃气温度通常高达3500K,压力则高达20MPa。

 

在研发过程中,除结构材料采用强度高、韧性好、耐烧蚀的不锈钢和锆铜合金等耐热材料外,蓝箭航天工程师们还要对推力室内壁采取有效的冷却措施,以保证推力室的正常工作状态。头部通常包括两个互不相通的容腔,推进剂中的甲烷和液氧,分别流过各自容腔后经喷注器喷出,在燃烧室中进行雾化混合和燃烧。头部主要由壳体和喷注器构成,其中喷注器中喷嘴的加工质量对推力室性能影响很大,因此,蓝箭航天的供应链团队必须保证喷嘴的加工精度和技术要求。

 

从制造工艺的可行性和合理性出发,通常把燃烧室和喷管构成一个整体,称为身部。多数身部为双层结构,其内、外壁之间或内壁与波纹板之间形成冷却通道,以供推进剂中之一个组元流通,以降低内壁温度,业内通常称为再生冷却。冷却通道一般设计成夹层式或管束式结构。早期的运载火箭发动机采用了简单的夹层板结构,现代的发动机则多采用先进的波纹板、沟槽式和管束式等结构。

 

近些年,专业航天企业不约而同地形成了共识:甲烷,是商业航天和星际航行的最佳燃料。如今,驯服液氧甲烷推力室的蓝箭航天,已悄然开启了中国新能源太空航行的商业元年。

 

多年以后,面对广袤星辰,工程师们将会想起他们加入蓝箭航天的那个遥远的秋天。

 

2016年下半年,蓝箭航天在彼时齐整的运载火箭总体团队基础上,开始组建液体发动机团队。每个慕名而来的新面孔,都意味着熟人的重逢。数月间,搭配默契、科班出身的液体发动机团队蔚然成型,每位工程师均拥有成功的飞行型号研发经验。蓝箭开始了高效、严谨的火箭“心”探索。

 

2017年,蓝箭航天团队根据自身丰富的型号经验,并对标SpaceX、蓝色起源等商业航天企业,开始研发别称“太空运输动力”的液氧甲烷发动机。呼应“两个一百年”的民族复兴精神,团队制定了“两个一百天”的首阶段研发计划。在首个“一百天”内,团队完成了发动机的整机设计;在第二个“一百天”中,团队根据项目排期全力以赴,大胆创新,按时完成了10吨级缩比推力室的生产。

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蓝箭航天在10吨级缩比推力室的生产过程中广泛使用了新材料——高温合金和钛合金等耐高温材质,并利用3D打印成型。推力室身部外壁使用特殊电铸工艺与内壁连接,采用激光焊接技术以进一步保证推力室的强度、致密性和微变形的焊接头。供应链与研发设计人员共同制定了产品结构件生产及试验场地的协调方案。至2018年初,推力室整机总装,并相继完成气液流压力试验、气密性试验、液压强度试验、高低温试验等冷态试验。

 

第二个“一百天”临近结束,首阶段的研发任务迎来了大考:初到人间的10吨级缩比推力室需通过数次点火试车,对设计方案进行全面验证。是役,三次成功的点火试车验证了多项技术指标。试验中:点火启动平稳,推进剂燃烧稳定,喷注器、燃烧室系统工作正常。值得一提的是,蓝箭航天液氧甲烷针栓喷注器的阻塞比、越程比、动量比等设计参数得到了验证。试验结束后,各零部组件完好。推力室内部新材料的精密铸造工艺耐受住了高温、高压气流考验。

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(蓝箭航天液氧甲烷发动机 10吨级缩比推力室原型机)

至此,蓝箭航天圆满完成了研发过程的首阶段里程碑。此次10吨级缩比液氧甲烷推力室的点火试车,以及于2017年底成功完成的燃气发生器点火等工程验证,将加速蓝箭液体火箭的整体研制进度。该推力室不仅验证了全尺寸发动机的燃烧特性和工程原理,也将于后续的研发过程中衍生为火箭游机发动机。

 

2018年,液体发动机其它主要组成部分----涡轮泵、阀门等关键部组件也将陆续开展试验。激动人心的全尺寸推力室点火试车、联调联试、全尺寸发动机热试车等试验,届时将移师全新的蓝箭航天长三角基地。2018年,蓝箭航天化身火箭速度崛起的独角兽,向着太空航行的商业巨兽快速前行。

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10吨级液氧甲烷发动机推力室工程进度表

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2017年9月19日,推力室方案设计完成

2017年9月25日,推力室设计方案通过专家评审

2017年9月26日,推力室图纸下厂

2017年10月26日,推力室铜内壁铣槽加工完成

2017年11月30日,点火试车方案通过评审

2017年12月10日,3D打印件齐套

2017年12月29日,点火器零件齐套

2018年1月8日,点火器7次点火试验取得成功

2018年1月11日,推力室外壁成型

2018年1月19日,完成液流试验

2018年1月21日,完成液压试验、总体液压试验

2018年1月22日,推力室完成总装,交付试车台

2018年2月1日,开始推力室试车

 

“夜里有时为寒冷,你我生根同暖土。”蓝箭航天衷心感谢每位合作伙伴在推力室研发过程中的携手同行。“凡是过往,皆为序章”,期待与更多伙伴一起奋发努力,建设军民融合的商业航天新生态。


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