通俗解析我国首台大氢氧火箭引擎YF77的至暗时刻 3次归零方见成功

我国从开建海南文昌发射场开始,就给新火箭和新场地定了基调——做成航天主题乐园式的航天发射基地,就像美国的卡纳维拉尔角一样,彰显我们航天事业的对外开放和自信。实际上我们也是这么做的,2016年和2017年的两次发射,央视基本都是十几小时连续不间断地直播,采访细到火箭和基地的每一个细节,但随着17年长征5号遥2火箭发射的失利,这种开放的姿态似乎又有点谨慎起来了,也许是我们过去错估了一台使用了90%以上新技术的大火箭的复杂度。

火箭发动机

在遥2火箭出问题后的这两年半里,“胖五”的故障归零究竟经历了多少困难与挫折并没人知道。但就在遥3火箭复飞成功后的第一时间,官媒立即发布了两年来胖五排除故障的具体细节和全过程,说明我们还是抱着开放与自信的姿态来面对这一切的。简单说就是胖五的“心脏”——大型氢氧发动机YF-77经历了多次至暗时刻。今天我们将就这些细节,用更加通俗的话讲出来,好让普通读者能够看懂。

2017年“胖五”遥2火箭发射后,经过一百多秒的飞行助推器顺利分离,可是飞到300多秒时大屏幕上突然显示火箭一级的两台氢氧发动机(YF-77)中的一台突然停机了,只剩下一台发动机工作的火箭始终敌不过地心引力,高度逐渐下降最终沉入大海。富有经验的专家立即判断出可能是发动机的氧涡轮泵坏了,因为失去了涡轮泵进行抽送液氧,发动机就不会继续工作,欧美在氢氧发动机的发展过程中也都出现过类似的问题!果然火箭回传的数据与专家们的估计基本一致,于是排障归零工作由此开始。

胖5发动机

由于YF-77发动机复杂的工作环境难以模拟,一时间工作人员找不出工作都头绪,期间还专门派蛟龙号前往南太平洋打捞火箭遗骸,专家们想亲眼看看这个涡轮泵到底是哪里断了,但大海捞针式的寻找根本无济于事,最终还是要回归到试车数据上来。第一次归零的思路是这样的,既然氧涡轮泵会断,那我们就进行结构性加强,通俗点说就是把涡轮泵做得更结实点,随后在2018年11月重新点火试车,结果惨剧再次发生,涡轮泵的局部结构又断了!这说明第一次归零工作并没有找到问题的根本原因!

通过地面复现的断裂涡轮泵,工作人员这次终于定位到了问题根源,第二次归零开始。简单说就是发动机设计时并没有对复杂环境下的受力和共振考虑周全(毕竟是我国首次设计大型氢氧机),最终导致了氧涡轮泵的局部结构断裂,可以形象地说是“娘胎里带来的问题”。这次总算找到问题所在了,于是对涡轮泵的问题结构进行了“魔改”,修改之后的发动机再次试车时取得了成功,这次大家信心十足了,毕竟真真切切找到了原因所在。

胖五发动机试车

时间已经到了2019年4月,就在升级后的发动机已经安装到了遥3火箭上,准备出发前往海南文昌前,一个年轻的工程师在给另外一枚胖五火箭发动机试车时又出状况了,发动机数据图上出现了一条可疑曲线,工程师认为是涡轮泵裂纹甚至断裂的征兆,于是通知了技术团队,结果一查不要紧,所有的发动机都存在这个问题!如果你是当时的工程师,连续两次归零后再出问题,你会不会崩溃?没办法,还得继续干,第三次归零工作开始。

问题肯定还是处在氧涡轮泵的局部结构上,问题点肯定是找对了,现在需要的是如何解决问题,因为这种问题是娘胎里带来的,要大改肯定是不行了,因此只能用“四两拨千斤”的方式解决问题。专家们通过数据分析突然发现,之前是太过于追求发动机的性能而忽略了可靠性,最简单的解决办法就是将原来一体成型的涡轮泵局部结构改回分体结构来增强可靠性!这次修改后又经历了多次长时间试车,所有的YF-77发动机全部经受住了考验,问题终于被彻底解决。

有了这么三次折腾,相信大型氢氧发动机设计团队对问题的处置能力又上了一个新台阶,进一步提高了大氢氧机的设计和试验水平,不管从理论上还是方法上都取得了长足的进步,为下一步研制更大型号的载人登月火箭时少走弯路奠定了坚实的基础。

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