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大國不可能永遠都做不好發動機!中國造出世界第一種特種火箭引擎

來源:阿拉善盟公牛科技開發有限公司 發布于:2019-06-05 瀏覽次數:1253 字號【 【關閉】
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據國內權威媒體報道,由中國航天科技集團有限公司下屬的上海某研究所研制的世界上首個新型HAN基無毒液體火箭發動機,已成功應用于我國于2018年1月發射升空的微納-1A衛星上。經過一年多的試驗表明,目前新型HAN基液體火箭發動機在軌運行正常,其性能達到預期水平。它的首飛成功標志著我國在HAN基液體火箭發動機研制上后來居上,趕超美國,成為世界上第一個掌握并在軌驗證HAN推進技術的國家。這也標志著在新一代無毒、無污染、對環境友好的軍民用綠色液體常溫推進劑方面,我國已取得了重大進展和實質性突破。本文根據國內外公開資料對此做一背景解讀。

液體推進劑是液體火箭發動機的能源和工質,其性能的優劣直接影響發動機及火箭的性能。自1900年正式開始液體火箭研究至今,液體推進劑的種類得到了極大的豐富,既有肼、過氧化氫等單組元常溫推進劑、可貯存的硝基氧化劑與肼類燃料雙組元常溫推進劑,又有高能低溫的液氧/液氫雙組元推進劑。由于偏二甲肼這類肼類燃料可在常溫下長期貯存,已被我國廣泛用于發射熱核彈頭的“東風”系列液體彈道導彈中的主推進劑,以及大多數“長征”系列液體運載火箭的一二級火箭發動機主推進劑中。但是,偏二甲肼這種液體推進劑具有劇毒、強致癌、強腐蝕、污染環境,以及遇明火、高熱極容易燃燒爆炸等缺點,且使用時必須依賴昂貴的地面支持和保障系統來確保安全。

隨著對環保要求的不斷提高,尋找廉價無毒、無污染以及高能推進劑,并進一步降低發射成本,已成為各航天強國競相發展的目標。我國在21世紀航天發展戰略目標同樣是開發新一代無毒、無污染、高性能和低成本的運載火箭,建成新一代運載火箭型譜化系列。除了繼續發展無毒的低溫液氧/煤油,,液氧/液氫雙組元這兩類液體火箭發動機外,具有重大軍民兩用價值的常溫HAN基單組元液體火箭發動機也得到高度關注。

HAN基單組元推進劑又被稱為硝酸輕胺基推進劑,是一種白色針狀晶體,可以與水以任意比例混溶。硝酸輕胺晶體不穩定,但其水溶液相當穩定,其冰點可達零下100℃以下。該推進劑最早由美國海軍印第安漢德海軍機械站(NOS),為了研究溶于水而航跡少的魚雷推進劑燃料而發明。20世紀70年代后,HAN基單組元液體推進劑重新得到美國軍方的重視,擬將其用于革命性新概念火炮——液體火炮發射藥中。研究表明,由于其冰點低、密度高、安全、毒性小,排氣不污染環境,被視為21世紀美國陸軍炮兵部隊裝備的155毫米自行液體發射藥火炮“十字軍騎士”最佳發射藥。雖然“十字軍騎士”因技術難度過高而最終下馬,但美軍仍然沒有停止對HAN基單組元液體推進劑的繼續研究

種種試驗證明,HAN基系列單元推進劑是胼類單元推進劑最重要的替代品之一,在彈道導彈、戰略導彈、空間飛行器以及液體發射藥火炮中應用廣泛,是一種具有非常廣闊的應用前景的新型高性能單元液體推進劑。與偏二甲肼單組元推進劑相比,其燃料質量平均減少了17.5%,燃料體積減少了41.8%,推進劑儲艙體積減少了38%,儲艙質量減少了35%。HAN基單組元推進系統在經濟和軍事上表現出的巨大潛能,已引起美國國家宇航局的強烈關注。在安全性上和偏二甲肼單元推進劑相比,HAN基推進劑產生和排出的氣體都是無害的,不需要穿戴特別的衣服,只需用不溶于水的材料和橡膠手套作為防護。此外,在常壓下該推進劑不易燃燒且性能穩定,因而可減少大量的地面支持和維護費用。

HAN基單組元推進劑系統將不僅最大程度上減少了毒性和易燃性的危害,同時也減少了地面支持的成本,為單元推進技術帶來階段性的變革。可以預計HAN基單組元推進劑必將是未來世界各國航天推進領域研究的熱點。我國航天科技上海某研究所所發動機室早在12年前就開始了對HAN基無毒推進發動機的預研工作。由于HAN基無毒發動機技術在整個國內外航天歷史上都是全新項目 ,特別是在2007年左右美國人公開報道在相關研制中出現了一系列問題,因此國內對其質疑聲很大。并且國外對HAN基無毒發動機的研制細節高度保密,2015年前在網絡上根本無法查閱到相關技術資料報道。

有鑒于此,該技術團隊聯合國內頂級院校、研究所、企業,以產學研相結合的方法,從基礎研究開始,通過機理分析、數值仿真、試驗驗證,攻克了推進劑配方、催化劑制備、耐高溫材料、發動機設計等多項關鍵技術,提出了一種全新的技術思路,經過10多年大大小小的幾百次實驗后,終于在這個項目上取得了突破性進展。據公開資料報道,目前已初步研制出推力品種包括1N、5N、25N、60N、150N、250N 和400N等多種衛星和飛船動力系統,從而最終實現能將裝滿了燃料的衛星從工廠中直接運出——現在的衛星發射出于安全考慮,大都是最后一刻才在火箭發射場填注燃料再進行發射,這大大降低了發射效率,增加了人為故障發生的可能性。在技術進一步成熟后,我國研制的常溫耐貯存大推力HAN基液體火箭發動機有可能使液體彈道導彈重新煥發活力,使之成為我國新型固體戰略彈道導彈的有效補充和有力競爭者,從而為世界和平做出新的貢獻。

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