黄纬禄1916年12月18日安徽...

第三步仰仗“大个头”火箭
2012年06月13日01:04东方网姜浩峰我要评论(36)
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无论是首次载人交会对接成功，还是女航天员的靓丽飞天，都是中国载人航天事业第二步计划的组成部分。

而如果想要实现第三步，从目前来看，必须突破火箭技术的极限，生产出能够将20吨级大型舱段发射到近地轨道的大推力火箭。

撰稿—姜浩峰
根据中国航天事业“三步走”的规划，在完成了无人和载人飞船项目后，多人多天飞行、航天员出舱和小型空间站天宫一号与神舟八号、九号、十号对接，都是第二步。

第三步，则是建成长期稳定运行有人照料的空间站，建成中国的空间工程系统，航天员和科学家能够往来于地球和空间站。

无论是首次载人交会对接成功，还是女航天员的靓丽飞天，都是中国载人航天事业第二步计划的组成部分。

而如果想要实现第三步，从目前来看，必须突破火箭技术的极限，生产出能够将20吨级大型舱段发射到近地轨道的大推力火箭。

大推力火箭不仅在载人航天领域急需，在7吨左右的东方红五号大型通信卫星以及探月计划三期的大型取样返回月球探测器的发射上，也急需此类火箭。

从中国运载火箭技术研究院传出的消息是，我国大推力火箭长征五号，正有条不紊地进行研发，其运载能力将比目前使用的长征二号提升一倍。

据公布的数据显示，长征二号运载能力约8.5吨，可见长征五号预计运载能力接近20吨，与美国宇宙神5(Atlas V) 551大型运载火箭实力相当。

长征五号预计2014年首发。

换心长力气
细心的爱好者会发现，去年9月天宫一号空间实验室发射，采用经过改进的长征2号火箭，具体型号长征二号F/G，字母“G”是“改”字汉语拼音的首字母，表示长征2F/G火箭在长征2F基础上作了少许改进，主要是助推器略微加长，改用双激光惯组主从冗余，运载能力略有提高。

天宫系列空间实验室的发射重量在8.5至9吨之间，长征2F/G已够用。

本次神九飞船发射，仍然采用长征二号F运载火箭，从中国运载火箭技术研究院传出的消息是，与发射神舟八号飞船的火箭相比，这枚火箭进行了数十项技术状态更改，进一步提高了可靠性和安全性。

未来，当天宫三号发射后，需要与货运飞船对接，进行货运补给试验。

以天宫系列空间实验室为基础设计的货运飞船，上行货运能力达到约6吨，飞船总重量约13吨，明显超出现
有长征2F/G火箭约9吨的运载能力。

因此，中国计划研制新一代的长征2F/H运载火箭来发射货运飞船，“H”是“换”字的首字母。

长征2F/H比起长征2F，主要是把火箭的心脏部件——偏二甲肼-四氧化二氮发动机，换为与未来大推力火箭长征5号配套的YF-100液氧煤油发动机，电气系统和地面测发控系统也将使用一体化设计。

YF-100液氧煤油发动机推力比以往的发动机大，使得长征2F/H火箭的运载能力提高到13吨左右，满足发射货运飞船的需求。

另外，推进剂改为液氧煤油，取代剧毒的偏二甲肼-四氧化二氮，对环境保护也大有好处。

当然，相比被中国航天人口头称为“大火箭”的长征五号，长征二号再怎么改型换心，依然是小个头。

正在孕育中
有关专家向《新民周刊》透露，目前，承载本次载人交会对接任务的长征二F遥九火箭组合体，仍系长征二号系列火箭，故而即使本次仍有技术改进，其运载能力仍不超过9吨。

根据中国载人航天三步走计划，未来必须要将更大的空间站发射到太空。

中国的新型火箭研制工作，正在天津有条不紊地进行中。

早在2010年的世界月球会议上，中国运载火箭技术研究院副院长鲁宇就曾披露，中国即将于2014年首发“长征五号”火箭，其运载能力将比之前的火箭提升一倍。

5月17日，在酒泉卫星发射中心，长征二号F火箭遥九发射队召开神九发射动员会。

恰在此前，4月23日，从中国运载火箭技术研究院传出消息——长征五号首个5米直径一级氢箱完成箱体焊接X光检测，结果显示，焊接质量优良，满足液压测试的强度等等技术指标，能适应静力件力学的性能测试要求，这标志着长征五号的制造能力已基本形成。

据《新民周刊》了解，未来载重达20吨左右的长征五号，正在孕育中。

5月31日，随着“点火”指令下达，伴随着震耳欲聋的巨响，长征五号运载火箭助推器试验件内侧红色火焰一闪，试验件以优美的姿态分离至预定位置。

至此，长征五号运载火箭助推器大型分离试验圆满完成。

这标志着“大火箭”初样研制阶段最重要的大型地面试验之一获得圆满成功。

该试验主要验证了模拟助推火箭在火箭飞行过程中能否安全分离，并验证了分离系统设计的正确性和系统工作的可靠性。

北京强度环境研究所专家认为：“这对未来大推力火箭的安全发射来说，是相当重要的一个环节。

”《中国航天报》如此披露：“火箭分离试验系统由试验塔架、测量系统、发火系统、回收系统组成。

试验前，火箭助推器试验件如小巨人般巍然矗立。

助推器试验件高20余米、停点火重量10余吨、主传力捆绑机构设计载荷和分离体重量是现役长征捆绑型火箭助推器的数倍。

同时，助推器的捆绑传力方案采用了创新的设计，进一步提高了火箭的运载能力。

”
6月4日，从中国运载火箭技术研究院再次传出消息，经过14个小时的连续施工，高达93米的天津新一代运载火箭研制基地标志性建筑——“长征五号”全箭振动试验塔正式封顶，是为亚洲最高的火箭振动试验塔。

国家航天局官网如此评价：“全箭振动试验塔主要用于长征五号火箭全尺寸振动试验，为火箭的飞行姿态控制设计提供基础数据和试验验证支撑。

根据设计规划，该振动试验塔建高93米，是天津新一代运载火箭研制基地地标性建筑，也是目前天津经济技术开发区西区最高的建筑。

”有关技术人员介绍说，该塔建成后，是世界少数几个大规模的火箭振动试验设施之一。

其实，早在今年初，在中国运载火箭技术研究院长征五号火箭2012年研制工作会上，有关方面就提出，大火箭后续研制工作要做到一个实现、两个确保；实现按节点顺利完成转段，确保首飞节点不动摇，确保运载能力不动摇。

2012年，大火箭研制目标是，完成以静力试验等大型试验用结构产品为代表的初样产品生产；完成助推器分离试验、电气系统匹配与电磁兼容试验等36项大型地面试验为代表的各项初样研制试验。

如此看来，中国正在研制的新一代无毒无污染重型运载火箭系列长征五号的2014年首飞，是能够保证的。

“靠水吃水”
对于目前火箭发射选址酒泉，比较靠谱的解释是——当年出于保密、军事需要，而将之设在西北祖国版图的腹地。

现在的火箭最大直径3.3米，走铁路运输，钻个山洞啥的，问题不大。

未来的大推力火箭，直径达到5米以上，无法钻进山洞。

将发射场放到海边，今后就可以实行海运。

“待到大推力火箭研制成功后，连续发射八九个大推力火箭，就能在太空建造一座大型的空间站，运行寿命也将大大提高。

到时候，可以说我们就能够领到太空常驻的‘户口本’了。

”上海航天局专家此言，透露出未来，我国大推力火箭的发射场，将选址海南文昌。

它将褪去神秘色彩，欢迎游客参观。

放在海边，另一方面，也处于安全保障方面的考量。

海边取水容易，万一火箭发射出现意想不到的状况，将“靠水吃水”。

“靠水吃水”的另一层含义，也能理解为商业发射。

早在20世纪80年代，中国长城工业公司就曾经为国外客户进行火箭商业发射。

值得关注的是，美国私人发射服务商开始介入到商业发射服务中，例如太空探索公司“猎鹰”9火箭发射价格是5000万美元，与发射价格为9000万到1亿美元的俄罗斯“质子号”火箭运载能力近似。

今年5月31日，美国太空探索技术公司
发射的“龙”号无人驾驶货运飞船离开国际空间站，返回地球，是为私人公司进入航天发射领域，为美国国家航天局打工的初体验。

未来，这是否会成为航天领域资本、运转模式的风
向标，还有待观察
期待已久的“天宫一号”飞行器和“神舟八号”飞船发射日期已经迫近，其将搭载“长征二号”运载火箭在西昌卫星发射基地陆续发射升空，目的是要建立中国第一个太空实验室。

中国长达半个世纪的问天之旅将登上又一个崭新的高峰，像一颗璀璨的明星在遥远的太空中闪耀。

1970年我国自行设计、制造的第一颗人造地球卫星“东方红一号”，由“长城一号”运载火箭一次发射成功，举国欢腾。

当卫星经过中国各个城市的上空时，人们争相眺望，为国家骄傲、为民族自豪。

40多年过去了，从载人航天工程到探月工程，中国的航天事业已取得了举世瞩目的成就，人们用各种方式也表达不出对祖国航天事业的热情。

2003年，“神舟五号”载人飞船顺利升空，众明星各种文艺汇演，华夏儿女聚焦在银屏下瞩目火箭徐徐升空，表达对航天的敬意，增强了中华民族的自尊心和自信心;2005年和2008年，“神六”、“神七”载人飞船发射，为庆祝其顺利升空和凯旋，各种航天纪念品争相出炉，线下活动接二连三，极大地激发了国人对航天的热情;2010年，“嫦娥二号”探月卫星的发射，长城润滑油联合《航天员》杂志社共同主办航天员体验营，从全国各地数万报名者中遴选出部分幸运者体验航天之旅，更让国人对航天的热情空前高涨。

2011年又是一个航天年，长城润滑油公司为预祝火箭顺利发射升空，在网上招募大型航天助威团。

为提高助威的趣味性，针对不同兴趣爱好的网民，长城润滑油精心设计了三种活动：全民助威大接力、解读航天密码和都市搜寻挑战赛。

为调动参与者的积极性，活动期间会送出大量的中石化不等金额的加油卡，活动结束后将从参与者中随机抽取部分幸运者赴西昌现场观看火箭发射。

活动开始不久，已经有上万人参与助威团中来，为祖国的航天事业加油呐喊。

“天宫一号”飞行器和“神舟八号”飞船，将再一次向世界展示中国在航天科技上的实力，带领中国的航天事业在中华民族的问天史中，谱写新的篇章。

这也是近半个世纪以来，日以继夜的工作在航天一线的科学家们的又一伟大成就，中华民族的凝聚力和自豪感将进一步增强
航空喷气发动机到底有多难
2010年11月22日00:29人民网微博龙腾日月我要评论(188)
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八一飞行表演队歼10表演机现在使用的仍是俄制AL-31F发动机
目前，在各行各业众多工业产品中，能够称得上是“工业王冠”的大概只有喷气航空发动机和微电子芯片了。

“工业王冠”反映的不仅仅是航空喷气发动机在技术层面的研制难度，也不仅仅说明了航空发动机在航空领域的核心地位，更说明了航空发动机“王权”一般高端的战略位置。

但是我国偏偏在航空发动机研制过程中，长期处于“慢性心脏病”的状态，在追求“工业王权”的过程中，长期处于“知其然，不知其所以然”的境地。

不过，在对航空发动机研制客观规律进行总结和对于国家发展有了更深层次的认识之后，我国在当今航空发动机技术发展的战略机遇期，不仅可以与航空强国齐头并进，还要创立属于中华民族的“动力王朝”。

精心雕琢的工业王冠
喷气式航空发动机的性能优势是建立在精巧的连续回旋转子结构上的，其研制难点也基本围绕这一核心展开。

现代飞机不断提高的战术技术指标对航空发动机提出了极为苛刻的要求。

高温、高压、高转速外加高可靠性、耐久性和维护性是其基本特点。

在这些本就相互矛
盾的要求推动下，航空发动机注定要成为人类历史上最复杂、最精密、最矛盾的工业复合体。

压气机的作用是利用来自涡轮的能量对发动机进气进行压缩和增温。

一方面提高了进气分子活跃程度，更有利于提高燃烧效率。

另外一方面，增加了单位体积内的氧气含量，因为大气尤其是高空大气的单位体积含氧量太低,远小于燃烧室中的燃油充分燃烧所需的耗氧量。

压气机的主要设计难点在于要保证效率、增压比和喘振裕度这三大主要性能参数满足发动机的设计要求。

一个世纪以来，伴随着气动热力学、计算流体力学的发展，压气机的设计水平在逐年提高。

20世纪初采用螺旋桨理论设计压气机叶片，20年代开始采用孤立叶形理论，30年代中期开始采用叶栅设计理论，50年代开始用二维设计技术，70年代开始建立准三维设计体系，90年代以来，航空界开始使用三维粘性流场分析设计体系对压气机进行设计。

压气机设计理论、计算模型和设计系统在基础理论科研推动下不断进步跨越。

即便是有先进的计算机辅助设计手段，如果基础科研理论没有进步，也无法在高性能压气机领域取得突破。

由于压气机的逆压梯度相当大、需要对空气流场、温度场和压力场进行详尽的三维分析以及空气粘性计算极端复杂等原因，多级压气机级间匹配、不同工作状态下的性能优化非常困难。

我国在航空发动机压气机设计和制造方面与世界航空强国的差距较小，这主要是源于我国在基础理论研究方面持续进行科研工作。

1952年，吴仲华教授提出了Sl-S2流面理论，并在这一理论的基础上建立了压气机准三维设计系统，直到现在虽然三维设计技术已经相对成熟，但是我国提出的准三维设计技术依然是国内外压气机设计理论体系的核心。

不过我国由于长期进行发动机仿制而不是设计工作，在压气机工程实用的设计规范和试验数据方面与国外先进发动机公司相比还存在相当大的差距。

压气机后面紧跟的是燃烧室。

经过压气机压缩后的高压空气与燃料混合之后将在燃烧室中燃烧，产生高温高压燃气来推动燃气涡轮运转并从尾喷口高速喷出从而产生推力。

航空发动机对燃烧室的要求是：第一，燃烧室单位容积的发热量或者说是热容强度要很高。

通俗的说，就是要燃烧室在尽可能小的容积里完成高压空气与燃料的混合与充分燃烧。

现代航空发动机的燃烧室长度一般只有十几厘米，而燃烧室进口与出口的温度差则高达数百甚至上千度。

这么高的温升对于燃烧室结构设计、冷却设计和材料耐热能力都提出了极端要求。

目前，航空发动综合应用浮动壁火焰筒、多孔冷却火焰筒、多孔层板火焰筒等技术提高燃烧室温升，从而根本上提升发动机性能。

第二，要保证足够高的燃烧效率。

这需要燃烧室采用三维数值计算和模拟技术、高紊流度强旋流结构、双旋流的空气雾化喷嘴、带旋流的预混喷嘴、强旋流混合头部等技术来增强燃料与空气的掺混，提高燃烧效率。

第三，保证经过燃烧室后的气体达到所需的温度并要求出口温度场相当均匀。

燃烧室的后面是涡轮，如果气流温度不均匀，有的地方特别热，有的地方特别冷（相对的冷，温度仍在千度左右），涡轮就会受不了。

同一个涡轮叶片，转到热的地方就膨胀，转到冷的地方就收缩，一来二去，叶片很快就会发生金属疲劳，降低了使用寿命。

燃烧室的设计难点在于，油气二相混合物的流动特性既不同于液态，又不同于气态，这种流场很难建立精确的数学模型。

所以，燃烧室的设计过程很大程度上是通过实验来进行的，需要完善的试验设备和较长的试验800K-850K,但是此时美国采用
温升上千度瓦片浮壁燃烧室的F119-PW-100第四代航空发动机已经开始服役。

美国已实施的发动机热端部件技术计划(HOST)和目前正在进行的高性能涡轮发动机技术综合计划(IHPTET),针对燃烧室进行了大量的预先研究并已取得显著技术进步。

能在高温、高压和高速条件下稳定工作就是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。

对于气流而言，温度、速度和压力是密切相关的三个参量，于是，三高要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面。

而且，涡轮进口温度，也就是平时说的涡前温或者燃烧室出口温度，是航空发动机最关键的循环参数，是影响航空发动机效率、推力和总体性能的最关键参数。

为了保证涡轮材料不被高温燃气所融化，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。

这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。

需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术至今被人称作是“工业王冠上的宝石”。

另外现在航空发动机领域大行其道的单晶涡轮叶片逐渐普及使用。

单晶叶片就是只有一个晶粒的铸造叶片，整个叶片在内部晶体结构上没有应力集中和容易断裂的薄弱点。

现在航空强国在开发更高冷却水平的单晶叶片，如对开叶片、扩散连接的叶片及多孔层板叶片，预计冷却效果可达400度~500度。

高性能水平的叶片已是集先进的材料、先进的成型工艺和先进的冷却技术以及先进的涂层于一体。

我国航空发动机研制的困难和性能差距主要就体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。

在20世纪七八十年代，国外在材料和工艺方面进展突飞猛进，我国却因为历史原因错过了机遇时期。

在国外第三代航空发动机早已采用并成熟实践的材料中，单晶涡轮叶片和粉末冶金涡轮盘我国至今尚未在第三代航空发动机“太行”上应用。

而单晶涡轮叶片和粉末冶金盘的特性是航空发动机性能和先进性最关键的保证。

研制先进材料需要较长的时间并具有较大的风险，我国以往在航空发动机研制上采取以型号带动工业的方针，试图通过上型号的方式来提升整个航空工业水平。

于是，与型号相关的材料和工艺研究在型号立项之时才开始搞。

通过较短的时间无法完成先进材料和工艺的科研任务时，就必须修改发动机设计指标、导致航空发动机研制周期大大延长甚至致使型号研制失败。

而国外广泛开展各项预研工程积累科研和工业实力，在需要进行型号研制时，立刻就能拿出现成的材料和加工工艺。

近年来，我国也开始反思教训，学习国外先进经验开始进行预研工程，预计在“十一五”和“十二五”期间，这些基础研究项目将大量的开花结果。

航空发动机作为需要漫长研制时间来精心雕琢的“工业王冠”，其本身的技术难度虽然达到了人类工业领域的顶峰，但是，我国航空发动机发展史证明，突破技术并不是最大的“拦路虎”，重要的是对航空发动机研制需要长时间、大投入和基础科研的特点有清晰的认识。

从正确的认识出发，制定基础科研和工程发展长远规划，并且按照规划矢志不移地进行持续科学的科研管理是航空发动机成功研制发展的唯一发展策略。

它山之石：航空发动机研制经验谈
以发动机技术为核心的气动热力学、材料学、结构力学和结构设计技术以及工艺技术构成的核心技术体系已经成为航空强国战略发展的重要支柱，也是我国目前少数几个没有取得完全突破的技术体系之一，堪称发达国家最后的“工业堡垒”。

与我国发展航空动力“以型号牵引技术甚至是整个航空动力工业水平”的老方针不同的是，欧美等航空强国极其注重基础研究和预研，其强大的法宝可以总结成三个关键词：预研工程、核心机计划、发动机系列化。

事实上，这三个关键的概念和理念是不可分割的一个整体，其构成了发达国家在航空动力发展上的整个思路体系的主干。

航空发动机的研究和发展分为：基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展和工程发展。

中国往往是有了具体工程发展型号的时候，才去搞基础研究、探索发展（应用研究）、预先发展，打算通过一个型号带动整个航空动力产业的进步。

而这条道路是不适合航空动力型号研制的客观规律的。

航空发动机尤其是军用大推涡扇机是一个国家工业和科研体系最高的技术成就，发展科学不能有太强的功利色彩，等到需要的时候再去从头研制总是远水解不了近渴。

核心机从物理概念讲，是在燃气涡轮发动机中由高压压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮组成的核心部分，它不断输出具有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。

从技术途径讲，是利用在探索发展（应用研究）得到验证的先进部件组成核心机。

其主要特点是叶片比较短小，工作环境温度高、压力高、转速高、承受的应力大，在使用中这部分的故障率多。

因而采用的工艺复杂，材料昂贵，其研制成本和研制周期在发动机研制中所占比重大，成为航空发动机研制中主要难点和关键技术最集中的部分，也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。

发动机系列化的最主要途径是保持一台成熟的核心机基本几何参数不变的条件下，通过改变风扇或低压压气机直径和级数以及涡轮的冷却技术或材料来改变发动机的主要循环参数，如压比、涵道比、空气流量、涡轮进口温度等，从而获得不同性能和用途的发动机。

在同一核心机上配上不同的“风扇、低压涡轮、加力燃烧室等低压部件及相关系统”，就可以以较低的风险研制出覆盖一定推力（功率）范围的一系列发动机。

满足不同用途飞机对动力的需要，从而实现核心机的多用途目标。

视燃气向涡轮转化能量的比例不同，核心机可以衍生出不同的发动机类型。

如果燃气转化到涡轮的能量主要用于驱动压气机以持续完成热力学循环，而仍然含有相当热能和动能的燃气从喷口喷出，也就是利用燃气的反冲作用作为发动机主要动力来源，这就是喷气式航空发动机。

如果燃气能量主要用于推动涡轮以及涡轮带动的螺旋桨转动，燃气本身动力作用较小或者基本可以忽略，这就是涡轮桨（轴）发动机。

如果在涡轮后再加上一个不联动压气机的自由动力涡轮专门用于尽可能的将燃气热能和势能都转化为转子动能从而作为动力，这就是舰用或者工业用燃气轮机。

以燃气发生器为核心机衍生出的各类发动机的核心优点是功率密度极大。

在燃烧方面，燃气发生器通过压气机将空气多级压缩，现代航空发动机的压气机可以将进气压力提高至标准大气压的九倍以上，而往复活塞发动机采用活塞压缩和单级涡轮。