朱森元，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究員，博士生導(dǎo)師，1995年被選為中科院院士。1930年出生，江蘇溧陽(yáng)人，畢業(yè)于莫斯科包曼高工研究生院，回國(guó)后參加過(guò)我國(guó)第一代地地導(dǎo)彈的研制，1970年開(kāi)始主持氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)先研究，轉(zhuǎn)為型號(hào)研制后繼續(xù)參加研制工作。直到第一，第二顆通訊衛(wèi)星成功發(fā)射。
朱森元院士曾任國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)航天領(lǐng)域?qū)＜医M成員，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和大型運(yùn)載火箭專家組組長(zhǎng)，國(guó)家高技術(shù)航天領(lǐng)域863-702專家組技術(shù)咨詢專家。
曾獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2001年2月獲國(guó)家科技部和解放軍總裝備部授予的“國(guó)家863計(jì)劃十五周年先進(jìn)個(gè)人”獎(jiǎng)牌和榮譽(yù)證書(shū)。
氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
20世紀(jì)60年代初蘇聯(lián)和美國(guó)展開(kāi)載人登月競(jìng)賽美國(guó)非常重視大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，其“土星-5號(hào)”載人登月運(yùn)載火箭，除一級(jí)由五臺(tái)大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)組成的助推器外，二級(jí)和三級(jí)火箭都用大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因此起飛重量只有2950噸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能先進(jìn)、可靠性高，成功地實(shí)現(xiàn)了6次載人登月，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)雖有技術(shù)最先進(jìn)的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但推力較小，單機(jī)推力只有150噸。由于沒(méi)有重視大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。蘇聯(lián)只能用“科學(xué)-1 號(hào)”運(yùn)載火箭。助推器由32臺(tái)單機(jī)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)捆綁而成，起飛重量高達(dá)3 800噸，不僅性能不先進(jìn)，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性很低，兩次發(fā)射都以失敗而告終，所以所有航天技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都追求用先進(jìn)的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作運(yùn)載火箭的動(dòng)力裝置。
氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和普通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，由渦輪泵將推進(jìn)劑增壓到設(shè)計(jì)值后，送入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高壓高溫燃?xì)饬?，通過(guò)噴管轉(zhuǎn)換成推力，推動(dòng)火箭加速飛行。它最突出的優(yōu)點(diǎn)是采用了高能的液氫液氧作推進(jìn)劑。在化學(xué)推進(jìn)劑中，氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖最高，所謂比沖是指從噴管中每排出1千克／秒流量燃?xì)?，能產(chǎn)生多少千克推力之意。這是一個(gè)非常重要的性能數(shù)據(jù)，它不僅是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志，還決定著火箭的起飛質(zhì)量。
要用液氫液氧作推進(jìn)劑，必須解決一系列超低溫技術(shù)：如超高轉(zhuǎn)速液氫渦輪泵設(shè)計(jì)技術(shù)，液氫液氧高效率燃燒技術(shù)及莫再生冷卻技術(shù)等。所謂超低溫技術(shù)是指液氫的低溫材料密封技術(shù)，液氫工業(yè)生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸技術(shù)，低溫火箭貯箱絕熱技術(shù)，液氫的加注、增壓、排放及其安全操作等技術(shù)，若要使運(yùn)載火箭技術(shù)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，以上這些技術(shù)是首先必須解決的。
我國(guó)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)如何從基礎(chǔ)研究走上工程應(yīng)用?
早在1958至 1960年間，錢學(xué)森任中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所所長(zhǎng)時(shí)，在北京懷柔就開(kāi)始籌建氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作主要研究氣氫液氧的燃燒技術(shù)，最初試驗(yàn)件的推力只有200 千克，燃燒宰壓力僅1.5兆帕，燃燒室身部用水作冷卻劑。到1966年“文化大革命”時(shí)，研究工作被迫停止了。
1961年，當(dāng)時(shí)的國(guó)防科委根據(jù)錢學(xué)森同志的建議成立140專業(yè)組，研究液氫在火箭上的應(yīng)用問(wèn)題，1962年6月，在國(guó)防部五院101站籌建液氫低溫技術(shù)研究室，其主要任務(wù)是建立液氫生產(chǎn)車間(液氫生產(chǎn)能力為100升／小時(shí))和相關(guān)的低溫技術(shù)研究。
1965年3月，當(dāng)時(shí)的一分院11所組建氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究小組，同年9月國(guó)防科委在上海召開(kāi)了140-3次專業(yè)會(huì)議，除101站和11所參加外，還有鐵道部和燃化部等的機(jī)關(guān)人員參加。會(huì)上確定101站負(fù)責(zé)研制30米3真空多層絕熱的試驗(yàn)液氫貯箱，鐵道部負(fù)責(zé)研制40米3鐵路運(yùn)輸液氫槽車，燃化部負(fù)責(zé)液氫工業(yè)生產(chǎn) 這次會(huì)議大大促進(jìn)了液氫低溫技術(shù)的發(fā)展。101站不僅加快了液氫生產(chǎn)車間建設(shè)的進(jìn)度，而且考慮到減少大型超低溫液氫貯箱研制的風(fēng)險(xiǎn)，先研制一個(gè)6.5米3真空多層絕熱的液氫貯箱、3.5米3的公路運(yùn)輸液氫槽車以及通用的800升真空絕熱的液氫高壓試驗(yàn)貯箱。這些基礎(chǔ)設(shè)施為氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種部件的預(yù)先研究提供了必要的條件。
1966年9月14日，101站負(fù)責(zé)液氫生產(chǎn)車間的深冷液化設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試成功，并成功地生產(chǎn)出液氫。由于“文化大革命”進(jìn)入高潮，全部工作又停了下來(lái)。
第一次推動(dòng)1970年4月24日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功后，隨即提出了“三星一船”的發(fā)展規(guī)劃，同年10月，任新民同志召集火箭總體部和發(fā)動(dòng)機(jī)研究設(shè)計(jì)所幾位技術(shù)人員研究：將“長(zhǎng)征一號(hào)”運(yùn)載火箭的固體三子級(jí)換成氫氧三子級(jí)火箭，能否用來(lái)運(yùn)載導(dǎo)航衛(wèi)星?大家對(duì)此問(wèn)題很感興趣，認(rèn)為可列入發(fā)展規(guī)劃開(kāi)展研究于是火箭總體設(shè)計(jì)部提出了氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的征求意見(jiàn)稿，要求真空推力為4噸，第一步為一次起動(dòng)，由燃?xì)舛婵刂仆屏ο蛄?，第二步要求二次起?dòng)和雙向搖擺。這就是我國(guó)第一臺(tái)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(代號(hào)YF-70)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的來(lái)源，于是氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)先研究正式展開(kāi)。
1970年的政治形勢(shì)對(duì)發(fā)展氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)研究非常不利，正常的科研生產(chǎn)指揮系統(tǒng)已經(jīng)多年處于癱瘓狀態(tài)采用三結(jié)合的形式開(kāi)展預(yù)研比較適合當(dāng)時(shí)的社會(huì)潮流。1970年12月15日，成立了設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)三結(jié)合研制隊(duì)伍，全部設(shè)計(jì)人員都下到車間開(kāi)展設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)人員的事業(yè)心很強(qiáng)，又能吃苦耐勞，工人師傅很歡迎知識(shí)分子和他們結(jié)合。積極主動(dòng)支持氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)研究。因此在初期，簡(jiǎn)單的試驗(yàn)件研究工作進(jìn)展很順利，如早已下廠的800千克推力氫氧燃燒試驗(yàn)件，只用一個(gè)月左右就生產(chǎn)出來(lái)了，1971年春節(jié)前，當(dāng)101站進(jìn)行第一次800千克推力液氫液氧燃燒試驗(yàn)成功時(shí)，七機(jī)部的領(lǐng)導(dǎo)親臨現(xiàn)場(chǎng)來(lái)觀看和祝賀。
三結(jié)合研制還加快了氫氧渦輪泵、低溫活門等的研制工作。液氫泵和液氧泵是通過(guò)高速傳動(dòng)齒輪連接的，齒輪在30 K的超低溫下的條件下工作，它的潤(rùn)滑問(wèn)題如何解決?研制隊(duì)伍于是決定自建超低溫高速傳動(dòng)齒輪試驗(yàn)臺(tái)，日夜奮戰(zhàn)6個(gè)月，將11所高速泵試驗(yàn)臺(tái)增加套低溫系統(tǒng)，開(kāi)展了高速傳動(dòng)齒輪潤(rùn)滑方案的篩選試驗(yàn)。通過(guò)6個(gè)方案的篩選，初步找到了固體潤(rùn)滑膜方案，突破了一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。
這種會(huì)戰(zhàn)性的三結(jié)合研制，不僅解決了氫氧渦輪泵設(shè)計(jì)問(wèn)題，也確定了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)方案，同時(shí)又找到一種低溫工程塑料可用作液氫活門的密封材料，所以在那時(shí)的形勢(shì)下三結(jié)合確實(shí)給氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研工作起到了“第一次推動(dòng)”作用。
氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的首次寒流在極左思潮橫行的時(shí)候，不允許全力以赴的攻克技術(shù)關(guān)鍵，有人指責(zé)氫氧三結(jié)合是搞唯生產(chǎn)力論，忽視了對(duì)知識(shí)分子的改造等，于是不得不花很多時(shí)間去參加各種講用會(huì)、批判會(huì)，接受再教育，更糟糕的是導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)載任務(wù)亦莫名其妙地被取消了，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研工作幾乎無(wú)人過(guò)問(wèn)。
任何新技術(shù)的突破總不會(huì)一帆風(fēng)順的，氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)亦不例外。研制過(guò)程中的各種各樣的怪現(xiàn)象也接踵而來(lái)。
驗(yàn)收3.5米3的液氫公路運(yùn)輸槽車時(shí)，需要加注液氫以檢查它的日蒸發(fā)率但經(jīng)過(guò)24小時(shí)加注后，制氫車間報(bào)告已加了3米3的液氫，但試驗(yàn)人員確認(rèn)車內(nèi)還沒(méi)有液氫液氫都跑到哪里去了?經(jīng)分析才發(fā)現(xiàn)，從制氫車間到液氫公路運(yùn)輸槽車的安全距離有30米，長(zhǎng)距離管道輸送系統(tǒng)的漏熱問(wèn)題沒(méi)有解決，所以液氫在輸送管內(nèi)已經(jīng)變成氣氫了。
氫氧燃?xì)獍l(fā)生器熱試車，明明點(diǎn)著了火，但過(guò)一會(huì)兒，火焰沖出燃燒室外，在遠(yuǎn)離試驗(yàn)件2米處燃燒，而燃?xì)獍l(fā)生器竟成為冷流噴射器，這顯然是氫氧混合比嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值造成的。怎么會(huì)自動(dòng)變化氫氧混合比呢?
測(cè)量液氫液面用的陶瓷晶體片浸泡在液氫杜瓦瓶?jī)?nèi)，竟失去了信號(hào)，懷疑是線路松動(dòng)，取出檢查后再次放入液氧杜瓦瓶?jī)?nèi)，突然沖出火光，并伴有響聲，這又是什么原因?
高速液氫低溫軸承經(jīng)常出現(xiàn)“短命”燒傷性破壞，設(shè)計(jì)方、使用方對(duì)故障分析意見(jiàn)不一，誰(shuí)亦說(shuō)不清液氫軸承的壽命和哪些因素有關(guān)。
種種跡象表明研制氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)不是那么容易。于是各種吹冷風(fēng)的言論亦從多方面襲來(lái)，這陣寒流吹得氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制隊(duì)伍處于低潮。