火箭发动机一烧就不稳,他用隔板加液相分区解开了世界难题
2015年9月20日,太原卫星发射中心,长征六号运载火箭点火升空,一次性把20颗卫星送入524公里高的轨道,创下当时亚洲一箭多星的纪录。火箭一级的液氧煤油发动机,研制单位是西安的航天六院。张贵田在这里工作了大半辈子,那年他83岁。
火箭能不能上天,先看发动机。发动机能不能稳定地烧,是另一回事。燃烧室里的压力一旦剧烈振荡,推力就忽大忽小,发动机可能在很短时间内损坏。这个毛病叫“不稳定燃烧”。上世纪60年代,它是全世界搞液体火箭发动机的人绕不过去的一道坎。
1961年,张贵田从莫斯科航空学院液体火箭发动机专业毕业回国,被分配到国防部五院一分院第三设计部。迎接他的,就是这道坎。
藁城农家,小学没毕业就参加革命
1931年12月20日,张贵田出生在河北藁城一个贫寒农家。他小学还没毕业就参加了革命,解放后靠自学考上工农速成中学。1953年到1955年,他在北京外国语学院留苏预备部学习;1955年,24岁的他进入苏联莫斯科航空学院,学液体火箭发动机。
1961年学成回国,他一头扎进发动机设计。那时候,我国第一次自行设计当时国内最先进的液体火箭发动机,试制、试车,问题很快集中到一个地方:高频不稳定燃烧。
隔板加液相分区
当时国际上对不稳定燃烧的机理也没有完全说清。张贵田没有照着现成的路子走。他在国内率先提出,把再生冷却隔板与液相分区结合起来:在燃烧室里加隔板,把大空间分成几个小区域;同时按液相分区组织推进剂燃烧,改变燃烧室里的声振特性。办法说起来不复杂,做起来要在结构、冷却、喷注方案之间反复权衡。隔板要承受高温燃气的冲刷,还得通冷却剂降温,位置、数量、形状,都要靠反复试验去定。
这套方法最终把高频不稳定燃烧压了下去,也为后续型号的研制打开了路。他后来进一步提出,液相分区机理对解决其他发动机的不稳定燃烧同样有效。
从高空发动机到“长二捆”
此后几十年,张贵田参加并主持了我国中程、中远程和洲际导弹的液体发动机,以及长征四号A、长征二号捆绑火箭的发动机研制。其中长征四号A的三级发动机,是我国第一台双向摇摆、二次启动的常规高空发动机:要在接近真空的环境里点火,要能摆,还要能二次启动,每一项都是硬骨头。
他带着团队突破了高空点火、双向摇摆、二次启动等关键技术,开创了我国高空发动机和双组元姿控发动机的新领域。长征四号A运载火箭后来获得国家科技进步特等奖。
60多岁,再去啃液氧煤油
上世纪90年代末,已经60多岁的张贵田又接下一件事:主持液氧煤油发动机整机研制。这是我国第一次接触液氧煤油推进剂,第一次采用补燃循环方案,也是第一次研究发动机自身启动。试验不顺利,一度“一试就炸”。
团队的情绪跌到谷底,他一个个去鼓劲:“液氧煤油这种推进剂我们是第一次接触,补燃循环方案也是第一次采用,自身启动方式更是第一次研究,这么多新技术哪能不交一点学费?失败是成功他娘。”这话不漂亮,但把人心稳住了。这型发动机后来装上了新一代运载火箭。
94岁,还在办公室
1995年,张贵田当选中国工程院院士;2002年当选国际宇航科学院院士,同年获何梁何利基金科学与技术进步奖;2003年当选国际欧亚科学院院士;2013年获航天功勋奖。头衔不少,他的作息没怎么变。2026年,94岁的他仍保持着清晨到办公室的习惯,看资料、谈技术。
“发动机作为导弹也好,作为运载火箭也好,相当于人的心脏,没有发动机,上天是不可能的。”
—— 张贵田,陕西广播电视台《今日点击》,2015年(中国工程院院士馆转载)张贵田(1931— )
籍贯:河北藁城(今石家庄市藁城区)
学历:1961年毕业于苏联莫斯科航空学院液体火箭发动机专业
身份:液体火箭发动机专家,中国航天科技集团第六研究院研究员;曾任七机部液体火箭发动机研究所所长、067基地主任兼总工程师
主要成就:在国内率先提出再生冷却隔板与液相分区相结合的方法,攻克液体火箭发动机高频不稳定燃烧难题;主持研制我国第一台双向摇摆、二次启动的常规高空发动机(长征四号A三级发动机)、长征二号捆绑火箭发动机;主持液氧煤油发动机整机研制
荣誉:国家科技进步特等奖(长征四号A运载火箭);2002年获何梁何利基金科学与技术进步奖;2013年获航天功勋奖
当选院士:1995年,中国工程院机械与运载工程学部
2015年那次“一箭20星”,火箭从起飞到入轨不到半小时。为了这半小时,中国液体火箭发动机走了半个多世纪。张贵田这一代人做的,是把“能不能烧稳”这个问题,一点点变成可以计算、可以试验、可以复现的工程。
如今长征六号已经多次飞行,发动机换到了更新的型号。燃烧室里那团火,仍然要在极短的时间里保持稳定——这是张贵田们留下的功课,也是后来者每天要交的答卷。