【#国内首次实现液体火箭动力重复使用#】
微信公众号“ 西安航天动力研究所”9月13日消息,近日,由西安航天动力研究所自主研制的某型液氧煤油发动机首次实现重复飞行试验验证。该型发动机作为某飞行器主动力装置参加首飞试验后,经检测维护,再次装配并顺利完成了重复飞行试验,国内首次实现了液体火箭动力的重复使用。

起步:设计之初考虑多次工作要求

液体火箭发动机作为航天运载器的主要动力装置,功能全、性能高、技术难度大、研制周期长,液体火箭发动机的可重复使用技术,对可重复使用航天运载器至关重要。

20世纪80年代,美国的航天飞机计划取得成功,实现了部分重复使用的目标,虽然航天飞机主发动机(SSME)进行了持续改进,但该发动机在实际工作中远未达到55次飞行的设计目标,且重复使用过程中维护检测流程复杂,成本高昂,2011年SSME随航天飞机退役。进入新世纪,美国私营企业SpaceX的火箭垂直起降回收技术引人关注,2015年底至2016年初,成功完成了陆上发射场回收和海上平台回收,代表了可重复使用运载器的最新进展。

液氧煤油发动机是我国新一代运载火箭的主要动力装置,具有高性能、大推力、无毒无污染等优点。该发动机从设计之初,部组件方案及总体布局按多次工作的要求开展论证,所有阀门均为可多次工作的气动、电动、液动等工作形式,地面研制试验实现了单台发动机不下台重复试车8次。

“十三五”期间,我所预先开展了液氧煤油发动机重复使用关键技术研究,取得了大量理论和试验研究成果,为液氧煤油发动机重复使用奠定了基础。

攻关:重复使用五大关键技术

由于天地工作环境的差异性及各种保障条件的限制,液氧煤油发动机飞行重复点火与地面试验重复点火不能简单划等号,飞行力、热等环境条件也更加恶劣,因此液氧煤油发动机重复使用需要攻克的关键技术难题更多,主要有以下几个方面:

一、多次点火技术

采用垂直起降的航天运载器都需要发动机具备多次点火能力,像SpaceX公司开式循环液氧煤油发动机梅林-1D(Merlin-1D),在猎鹰9号垂直起降过程最多要点火工作3次。

液氧煤油发动机采用了绿色、环保的推进剂组合,可在一次点火工作后进行吹除处理后,实现发动机重复点火工作,技术上具有重复使用能力。但航天运载器飞行时,无法实现和地面试验相同的吹除等保障条件,同时由于低温发动机点火准备阶段需对低温系统进行预先预冷,所以点火准备期的流程和地面也有较大差异。对于补燃循环液氧煤油发动机,这些制约条件将更加凸显,需要对发动机进行技术研究,优化发动机点火准备阶段的预冷流程,简化发动机关机后至点火前的吹除处理方案。

目前,我国补燃循环液氧煤油发动机已在地面试验实现了不间断三次点火起动,摸索出了重复点火工作间的吹除处置和预冷方法。

二、大范围变推力技术

垂直起降的航天运载器在返回过程中,由于推进剂剩余量逐渐减少,运载器重量越来越轻,需要发动机具备大范围推力调节能力,才能实现减速或地面软着陆。要实现发动机的大范围变推力,需设置调节元件和驱动机构,同时对调节精度和调节速率有要求。另外,工作条件的大范围变化对发动机推力室等热力组件及涡轮泵等主要组件的工作适应能力提出了很高要求。

我国液氧煤油发动机具备无级推力调节能力,通过地面试车进行充分验证,其中推力调节机构和大范围推力调节能力在新一代长征八号运载火箭上实现了飞行验证。

三、力、热防护技术

与一次性使用运载器相比,重复使用运载器不仅要求发动机在上升段工作,而且返回段也要再次点火工作用于运载器减速或着陆,特别是返回段的气动力载荷条件、喷口反流热流条件等更加苛刻,需要对发动机进行力、热防护技术研究。另外,非工作段部分贯通内腔的接口也需要考虑返回段外界气压的变化进行正压或反向密封保护。

某飞行器试验的成功,初步验证了液氧煤油发动机对重复使用飞行力、热载荷条件及免维护防护措施的有效性。

四、重复使用状态评估技术

为了实现发动机重复使用工作的可靠性,需要对返回后的发动机进行状态评估,用于判定发动机是否具再次飞行的能力,特别是对工作条件恶劣的热力组件热疲劳、转子组件结构应力疲劳开展专项研究。另外,发展并采用在线实时健康诊断技术,实现飞行阶段发动机工作状态的健康监测或采用动力冗余运载器的弹道重构。

国内液体火箭发动机地面故障诊断系统在液氧煤油发动机研制试验中应用较早,技术成熟。2022年3月在新一代长征六号甲运载火箭上首次实现了飞行健康监控系统的实战应用。通过液体动力健康诊断相关技术研究,液氧煤油发动机在试车或飞行后状态评估技术方面也开展了大量研究工作。

五、重复使用检测维护技术

为了实现低成本,体现出发动机重复使用的价值,要求对返回后的发动机进行的检测项目越少越好,维护越简单越好,这与发动机健康状态评估是一对矛盾体,需要开展深入研究,在健康状态评估的基础上尽量简化检测维护方案,最终实现发动机的低成本、短周期快速检测维护。

液氧煤油发动机通过发射场使用维护简化研究及重复使用相关维护处理技术研究,实现操作维护项目大幅度精简,首次实现低温火箭液氧加注后无人值守功能验证。

展望:为完全重复使用积累了宝贵经验

为了实现发动机短周期处理再次交付飞行,研制团队在液氧煤油发动机重复使用技术课题研究的基础上,针对性地制定了发动机检测维护方案,做到了短期快速处理交付原机,初步实现了液氧煤油发动机重复使用。

随着人类对太空探索的深入开展,宇航动力技术开始进入创新发展和规模化发展阶段。各航天大国都在积极推动运载火箭升级换代,谋求快速、可靠、低成本地进入太空。主要航天国家和地区都已建立了比较完善的运载火箭型谱,能够满足大、中、小型有效载荷的发射任务。主要航天国家大力发展重型运载火箭,为满足未来执行载人登月及探火、大规模深空探测等任务需求;不断推动可重复使用运载器的工程化应用,开展关键技术攻关和试验验证。基于前期关键技术验证和雄厚的专业基础,美俄等主要国家下一代火箭动力产品进入整机试车阶段,为其新型航天运输工具提供先进动力基础。

所长张晓军表示:“我国液氧煤油发动机首次重复飞行成功,标志着发动机重复使用技术进入实战阶段,我们将进一步关注发动机的高可靠性、低成本、高性能,持续开展可重复使用技术探索,为我国快速大规模进出太空空间提供坚强动力保障。”

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注意!台风“梅花”即将来袭,威海发布黄色预警
威海晚报 2022-09-12 18:14 发表于山东
9月12日下午,山东省气象台发布第12号台风“梅花”预报:今年第12号台风“梅花”(台风级)12日14时中心距离浙江省舟山市东南方向约610公里,中心附近最大风力13级,中心气压960百帕。预计,“梅花”将以每小时5—10公里的速度向西北方向移动,逐渐向浙江东北部沿海靠近,于14日夜间至15日白天登陆或擦过上述沿海地区,并减弱北上,可能于16日进入山东。
威海市气象台2022年9月12日16时发布大风黄色预警信号:受台风“梅花”倒槽和外围环流先后影响,9月13日夜间至16日,我市将出现持续性降水和大风天气。预计14日全市有大雨局部暴雨,15日全市有中到大雨局部暴雨,16日全市有小到中雨局部大雨。过程累积降水量60~100毫米,局部150毫米以上,最大小时雨强30~50毫米,强降水主要集中在14日下午到夜间。同时风力较大,预计14日白天到夜间,东北风,沿海海区7~8级阵风9级,内陆6~7级阵风8级;15日白天到夜间,东南风,沿海海区7~8级阵风9级,内陆6~7级阵风8级。此次过程降水强度大,影响范围广,持续时间长,请注意防范暴雨和大风带来的不利影响。
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威海市气象台9月12日16时发布天气预报
  今夜到明天,多云,东北风4~5级,19℃~25℃;
  明天晚上到后天,多云转阴有大雨局部暴雨,东北风4~5级逐渐增强到6~7级阵风8级,20℃~24℃;
  15日,阴有中到大雨局部暴雨,东北风转东南风6~7级阵风8级,20℃~25℃。
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  今年第12号台风“梅花”(强台风级)预计14日左右开始给山东带来影响。记者从省防汛抗旱指挥部办公室了解到,台风“梅花”强度大,路径复杂,可能带来强风、暴雨、高潮、巨浪、洪涝等灾害,加之山东当前刚刚开海,水利工程蓄水普遍偏多,防御工作面临严峻考验。省防指办发布通知要求,各级各部门要立足于防强风、防暴雨、防山洪、防内涝,充分估计本次台风可能造成的最严重影响,迅速进入实战状态,严阵以待,做好万全准备。
  各级防指要密切关注台风动向和雨情、水情、汛情,及时组织气象、海洋、自然资源、水利、农业农村、应急等部门联合会商研判,滚动预测预报,突出抓好大风、风暴潮、局地强降雨、山洪和地质灾害监测预警,为各级做好防汛防风工作提供有力支撑。要狠抓预警与响应联动,根据气象预报,及时发布预警、启动响应,切实增强工作主动性和前瞻性。要充分利用广播、电视、手机短信、网络等多种途径,提前发布预警信息,提醒公众科学防范,有效避灾避险。
  各级各部门要针对海上渔船、重点船舶、海上交通、施工项目、沿海景区、山洪地质灾害隐患点等防汛防台风重点区域、部位、场所、设施开展拉网式排查,发现隐患迅即整改,坚决彻底消除风险隐患。要做好化工园区、工矿企业、高温熔融金属等高危企业和电力、交通、通信、市政等重要基础设施的防洪防台风工作,必要时采取停工、停业、停产、停课、停运等非常措施。要全面排查广告牌、玻璃幕墙等高空构筑物及塔吊、围墙、行道树等易倒伏物,妥善做好加固或拆除工作。要提前关闭旅游景点,有序疏散游客,全力保障安全。要抓紧做好城区内河道、排水管网、暗渠、雨水口和排水泵站疏通工作,逐一落实应急抢排、交通管制和人员疏散措施,确保城市安全运转。
  各级各部门要把人民群众生命安全放在工作首位,咬定“不死人、少伤人”目标,全力做好人员转移避险工作。要突出抓好船只回港避风、海上作业人员和近海渔排养殖人员上岸避险工作,加强对回港船只、“三无”船只及跨省避风渔船的监管,做到不漏一船、不留一人。要针对山洪灾害易发区、地质灾害隐患点、病险水库、头顶库、尾矿库、工地简易板房、城乡危房、学校幼儿园、养老院等,进一步细化实化人员转移方案,逐户落实转移路线、安置地点、责任人、联系人、转移交通工具等,第一时间果断转移危险区人员,确保应转尽转、应转早转。要统筹做好人员安置和新冠疫情防护,全力保障转移群众生活,严防新冠疫情传播,严禁转移人员私自返回。
  要立足抗御强台风、大暴雨的最不利情况,切实做好水利工程运行管理工作,组织对强降雨地区水库逐库开展纳雨能力分析,科学调洪,留足防洪库容。要加强水利工程巡查、防护和调度,尤其是小水库、塘坝、险工险段要派专人24小时盯守,一旦发现险情,要迅速组织抢护,及时排除险情。要统筹河道上下游、左右岸、干支流,提前开启拦河闸坝,科学调度拦洪、错峰、滞洪,最大限度发挥水利工程防洪减灾效益。
  各级要切实强化值班值守力量,严格执行汛期领导带班和24小时值班制度,强化部门联合值班值守和信息报送,特别是遇突发险情、灾情,必须第一时间上报,坚决防止漏报、迟报、瞒报、误报。要备齐备足防汛救灾物资,落实运输车辆、运输路线和运输人员,全力保障防汛抢险救援需要。要统筹消防救援队伍、专业救援力量和社会救援力量,加强与解放军、武警部队和民兵预备役队伍联动,及时与海事部门沟通,针对重点地区和部位提前预置救援力量,确保快速出动、高效救援,全力保障人民群众生命财产安全。
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监制:段晓明
统筹:李 林
编辑:单继瑶
审读:梁 静
来源:大众日报、威海气象


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