邵业涛:让长征火箭“不可用推进剂"减少50%

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导读:火箭推力来自火箭发动机燃烧推进剂,把卫星等有效载荷送到预定轨道。火箭总重的90%以上均为加注的推进剂。推进剂在飞行过程中并不能燃烧殆尽,每发火箭都会有一些推进剂剩留在贮箱中,以“不可用推进剂”的形式成为火箭的“死重”,随贮箱一起被抛掉。 如果提高这部分“不可用推进剂”的使用率,为火箭“减肥”,火箭是不是就能带更多的有效载荷上天,完成更多的任务呢?为此,一院一部进行了为期2年的探索。 被忽视的“不可用推进剂” 长期以来,推进剂一直都是一个被忽视的默默无闻的角色。 火箭飞行过

火箭推力来自火箭发动机燃烧推进剂,把卫星等有效载荷送到预定轨道。火箭总重的90%以上均为加注的推进剂。推进剂在飞行过程中并不能燃烧殆尽,每发火箭都会有一些推进剂剩留在贮箱中,以“不可用推进剂”的形式成为火箭的“死重”,随贮箱一起被抛掉。


如果提高这部分“不可用推进剂”的使用率,为火箭“减肥”,火箭是不是就能带更多的有效载荷上天,完成更多的任务呢?为此,一院一部进行了为期2年的探索。


被忽视的“不可用推进剂”


长期以来,推进剂一直都是一个被忽视的默默无闻的角色。


火箭飞行过程中,推进剂经过贮箱底“出流”装置流出,供给至发动机入口,最终燃烧产生推力将火箭送到太空。随着贮箱内推进剂的消耗,增压气体源源不断地充进贮箱维持箱压,以保持贮箱结构及发动机入口推进剂压力。


随着火箭飞行过程中推进剂的不断消耗,当推进剂下降至贮箱底部附近时,如果贮箱内出现漩涡或液面塌陷,则会造成增压气体随推进剂进入发动机入口,最终造成发动机液面塌陷,最终造成发动机涡轮气蚀,叶片损坏,直至发生爆炸。


为防止这种现象,人们只有在推进剂还没有完全燃烧完之前就提前关机,而剩下的这部分推进剂不再使用。“不可用推进剂”的重量越大,火箭的运载能力就越小。


传统装置浪费巨大


“出流”大家都不陌生。家里的洗脸池放水时,当水流到池底时,常会形成一个漩涡,这个漩涡使水排放更有吸力。


同样,在火箭贮箱中也可能出现这种状况,在推进剂“出流”过程中,一旦出现这种状况就要终止“出流”。而终止“出流”的时间越早,“不可用推进剂”数量越大,那么,能不能研制出一种新的“出流”装置,大幅减少“不可用推进剂”量呢?


2011年,这个问题摆在了一院一部11室5组邵业涛面前。那时,长征五号和长征七号运载火箭正在紧张的研制过程中,不同于常规运载火箭,长征五号的贮箱规格大,且是球形底,长征七号输送管更粗,均不利于出流。


相同液面塌陷高度,5米贮箱的剩余量会较普通贮箱高3倍多。试验之初,采用常规型号使用的“出流装置”,形成的“不可用推进剂”量始终远大于总体要求,个别贮箱经过多次尝试,剩余量最小也达800公斤以上,占推进剂总量的约千分之八。


如果这部分“不可用推进剂”能够尽可能多地被应用起来,不仅会减少浪费,还能减轻火箭“自重”,让火箭运载更多的“有效载荷”上天。


让“不可用推进剂”减少50%


“新出流装置”研发起来并没有那么容易,然而,研制人员并没有动摇,他们在广泛调研国外文献资粮,分析不同装置的“防塌陷”效果,通过自学数值仿真软件进行新装置的有效性数值分析,想方设法将剩余量减少下来。


功夫不负有心人,2012年11月,经过近百次试验,适用于长征五号和长征七号火箭的全新“消漩防塌装置”应运而生。


新“消漩防塌装置”完全不同于在飞型号的出流装置,它以盖板加叶片形式防止贮箱内的“推进剂”出现页面塌陷和漩涡,装在火箭贮箱出流口位置。使长征五号一级氧箱、长征七号各“单出口贮箱”的推进剂剩余量减少了50%,其他双贮箱也实现了20%~30%的剩余量减少,大幅提升了两型火箭的运载能力。

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