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张小平离职热议:480吨发动机对中国登月意义有多大
送交者: 三把刀 2018年10月08日23:41:00 于 [军事天地] 发送悄悄话

  近日,航天六院科研人员离职的风波成为网上热炒的事件,一些声音认为其出走对中国的登月工程产生了致命影响。在一份广为流传的材料中,该科研人员参与的工作为480吨级液氧煤油发动机研发、8吨变推力液氧煤油发动机、10吨液氧甲烷发动机和百吨级液氧甲烷发动机的研发工作。

  这几种发动机对登月工程的意义到底有多大?这位科研人员的离去如果成为既成事实,又会在多大程度上影响这几型发动机的研发工作?本文基于公开资料和作者对一般情况的了解,对这些问题做一分析。

  载人登月关键:480吨发动机

  发动机是将其他能量转换成动能的工具。目前使用的航天器,几乎都是使用化学能发动机作为动力来源。这些发动机控制燃料和氧化剂在发动机中混合燃烧后,向外喷出高温高速的气体,反推火箭加速进入太空。

  大型运载火箭使用的一般为液体推进剂,我国早期和现役的主流火箭使用的燃料和氧化剂为偏二甲肼和四氧化二氮。这些可以在常温下贮存的燃料虽然适合在早期与火箭同步发展的军用导弹,但却有毒有害,不但会对工作人员的健康产生威胁,还会在火箭出现意外时造成毒雾等二次危害。

  因此,当前航天界开始普遍采用液氧煤油、液氧液氢、液氧甲烷等氧化剂和燃料组合。由于这些推进剂在大气压下的沸点低于环境温度,因此它们被称为低温材料。低温材料具有无毒无害、成本低廉等优势。

  如果要将载人登月飞船送入太空,就必须具备相当强大的运载能力。发射阿波罗飞船的土星5号火箭起飞推力高达35000千牛,至今尚没有火箭能望其项背。一枚火箭同时工作的发动机数量不能太多,否则就会使得动力系统过于复杂,失败风险增大。因此,要研发登月火箭,首先就要研发大推力发动机。

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  (土星V火箭的推力来自于五台F-1液氧/煤油发动机)

  在对于未来载人登月的论证中,我国航天部门为火箭制定了地月转移轨道运载能力50吨、起飞推力35000千牛-40000千牛的指标。在火箭起飞时,计划使用八台发动机一起工作,其中四台安装于助推器上,另四台安装于芯一级上。这样的设计,使得火箭能够灵活调整推力,在执行登月任务的同时还可以执行空间站建设、大型载荷发射等任务。由此计算,每台发动机的推力为5000千牛量级。

  在低温燃料在中,液氧煤油组合的比冲及密度比冲指标均比较理想,适合作为火箭下面级的燃料。因此,最终确定480吨液氧煤油发动机作为登月火箭的动力。

  发动机可以说是决定火箭性能最关键的因素,苏联就曾因短时间内无法突破大推力发动机技术而导致登月失败。同时,发动机的研发必须走在火箭整体研发前面。长征五号、长征七号等新一代运载火箭所使用的120吨级液氧-煤油发动机,在2012年就已经完成了研制验收。

  研发更大推力的发动机不能简单的将小推力发动机的尺寸增大,而是要解决诸多技术难题。例如,480吨级发动机采用泵后摇摆的技术方案,发动机在改变推力方向时只需摇摆推力室及其附件,无需像泵前摇摆一样让整个发动机都改变方向。这种方案可以有效减小发动机的尺寸和重量。然而,使用这种方案时,可以活动的金属软管必须承受高温高压燃气的冲击,对软管的设计和加工工艺都是很大的挑战。除此之外,480吨级发动机还需攻克高效、稳定、长寿命推力室技术,大功率、高效涡轮泵技术等一系列技术难题。

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  (480吨发动机外形图)

  月面着陆发动机与商业航天发动机

  而8吨变推力液氧煤油发动机,虽然推力的大小远远小于480吨发动机,但却有着自身的技术难点。与提供加速动力的火箭发动机功能刚好相反,这种发动机的作用是让在月球表面着陆的飞船逐渐变轨、减速、悬停于月球表面之上并最终平稳的实现软着陆。由于着陆过程中推进剂不断消耗,飞船总重处于不断的变化之中,因此这种发动机必须具备推力可调节的功能。

  美国的阿波罗登月飞船,其输出的最大推力是最小推力的10倍,但它使用的是偏二甲肼/四氧化二氮的有毒推进剂。我国登月飞船如果采用液氧煤油变推力发动机,则可规避有毒有害的风险。

  与火箭用的发动机相比,这种变推力发动机为了实现推力调整功能,需要使用改变推进剂的供应量、改变推进剂的喷注面积或改变推进剂密度等方式实现推力变化,相应的增加了发动机的复杂程度。

  甲烷和煤油一样,同样是无毒无害、成本低廉、来源广泛的燃料。但是,液氧/甲烷推进剂的比冲虽然不低,可密度比冲指标不理想。如果大推力火箭的下面级采用这种发动机,将会使得储存推进剂的贮箱体积、重量过大。然而,如果这种发动机被用于发射一般载荷的可重复使用商业火箭,则会显示出它独特的价值。

  火箭的推进剂在推力室中燃烧并向外喷出,限制火箭发动机寿命的一个重要因素就是推力室结构出现的破坏。而使用甲烷燃料的发动机,无论是多次开关机启动还是长时间工作,都具有较高的寿命裕度。

  另外,甲烷具有沸点低、容易蒸发的特点,发动机结束工作后通过氮气吹除即可将内部残留的推进剂处理干净。甲烷不结焦,燃烧积碳少,重复使用时无需清洗且对发动机性能影响很小。在重复使用时,液氧甲烷发动机能够缩短火箭在两次飞行中的准备时间,进一步降低火箭的飞行成本。

  SpaceX计划用于登陆火星的BFR航天系统将使用甲烷发动机作为动力(这其中还有在火星上制造甲烷较为方便的因素),我国的民营航天企业蓝剑航天也已经完成了液氧甲烷发动机的推力室试车。

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  (SpaceX的Raptro液氧/甲烷发动机正在进行测试)

  该研究人员离职,影响几何?

  目前,480吨液氧煤油发动机已经确定作为预计于2028年首飞的我国下一代重型火箭“长征九号”的动力来源,其有关测试实验早已展开。8吨级变推力发动机正在进行预先研究,也就是对这一发动机的可行性、实用性和部分系统原型进行研发,尚处于早期研发阶段。

  而液氧甲烷发动机并非国家立项的项目,而是该研究人员所在的研究所为了未来商业航天应用而自行研发的产品,虽然国家有关项目给予了部分经费支持,但主要以该所自筹资金为主。

  该研究人员如果离开,会对这些型号的研发工作产生影响吗?按照网上流传的材料介绍,他从120吨液氧煤油发动机开始就作为主要成员参与到了研发中,后来又参与了480吨级发动机的研发,应该在低温发动机尤其是液氧煤油发动机的研发工作上积累了不少经验。同时,作为长期参与项目的骨干,他也应该更熟悉项目中的各种门道和细节。

  从笔者个人的工作经验看,如果突然将手头已经负责一段时间的项目和工作弃之一旁,即便单位和课题组能够迅速的找到一位水平更高的人来接替,他可能也需要一段相当的时间来掌握项目的具体情况,期间项目的进度将受影响。

  然而,他的离开并不会使发动机项目就此停滞。西安航天动力研究所是一个拥有五十多年历史、研发过六十多种发动机的研究机构,肯定不是靠该研究员一己之力撑起了整个研发体系。他离去留下的空缺,将在一定时间内由其他专家和新成长起来的年轻人填补。

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  (长征-9号火箭模拟图)

  在一篇广泛流传的流传的文章中,将“研究员”称为最底层的科研人员。但实际恰恰相反,“研究员”是科学研究人员的正高级职称,与大学中的教授平级。而字面上看起来更牛的“高级工程师”,实际上仅是副高级职称,再向上晋升才是研究员级工程师。

  像笔者这样刚刚拿到博士学位的年轻人,如果能在10年之内获评研究员,将被视为是职业生涯中的成功。在科研单位中,职称与薪酬、福利、住房、子女教育等一系列切身利益挂钩,拿到研究员职称意味着待遇将比研究所中多数其他员工更好。

  据新京报报道,该研究人员的年收入为税后20万,同时享受着体制内的一些福利,待遇在西安已不算低。

  火箭发动机在民营航天企业出现前是国家航天和军工部门专用的产品,该研究人员能够成为发动机方面的专家,当然很大程度上来源于其自身的才智和辛劳。但如果没有国家项目使他获得积累发动机研发经验的机会,如果没有他的单位为他提供能够锻炼成长的平台,如果没有研究所的前辈专家对他的培养,他通过其他的渠道几乎没有可能成为火箭发动机的专家。因为更好的待遇而跳槽的民企这无可厚非,但如果在国家的关键项目进行到一半时就一走了之,恐怕很难说是一种光彩的行为。

  同时,从法律上看,涉密工作人员离职时要调到非密岗位上,经过一定时间的脱密期才能离职,这既是法律和法规中规定的涉密人员义务,也是涉密单位的员工常识。该研究人员作为一位1994年就入职航天部门的老员工,不可能不清楚这一规定。为何会闹成现在这样,外人也难以评说。

  这一刷屏事件除了让某问答网站上的一位用户新增了不少粉丝、让一个公众号获得了不少流量之外,似乎造成了涉事的研究所、民营航天企业和该研究人员本人三输的局面。中国航天事业的所有里程碑式事件中,都有西安航天动力研究所研发的发动机在提供动力。而这个功勋卓著的研究所却以这种负面新闻的方式为公众所知,同时该所负责的项目进度也会因此受到影响。对于民营航天企业,其潜在客户中有不少是政企单位和体制内的高校、研究所,其发射活动也要使用国家靶场,其继续发展还要继续从国家航天企业挖人,这样的新闻恐怕不会对该企业的发展产生正面作用。对于该研究人员本人,突然成为舆论的焦点让其今后的职业生涯充满了不确定性。


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