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火箭推力來自火箭發動機燃燒推進劑,把衛星等有效載荷送到預定軌道。火箭總重的90%以上均為加註的推進劑。推進劑在飛行過程中並不能燃燒殆盡,每發火箭都會有一些推進劑剩留在貯箱中,以“不可用推進劑”的形式成為火箭的“死重”,隨貯箱一起被拋掉。
如果提高這部分“不可用推進劑”的使用率,為火箭“減肥”,火箭是不是就能帶更多的有效載荷上天,完成更多的任務呢?為此,一院一部進行瞭為期2年的探索。
火箭飛行過程中,推進劑經過貯箱底“出流”裝置流出,供給至發動機入口,最終燃燒產生推力將火箭送到太空。隨著貯箱內推進劑的消耗,增壓氣體源源不斷地充進貯箱維持箱壓,以保持貯箱結構及發動機入口推進劑壓力。
隨著火箭飛行過程中推進劑的不斷消耗,當推進劑下降至貯箱底部附近時,如果貯箱內出現漩渦或液面塌陷,則會造成增壓氣體隨推進劑進入發動機入口,最終造成發動機液面塌陷,最終造成發動機渦輪氣蝕,葉片損壞,直至發生爆炸。
為防止這種現象,人們隻有在推進劑還沒有完全燃燒完之前就提前關機,而剩下的這部分推進劑不再使用。“不可用推進劑”的重量越大,火箭的運載能力就越小。
“出流”大傢都不陌生。傢裡的洗臉池放水時,當水流到池底時,常會形成一個漩渦,這個漩渦使水排放更有吸力。
同樣,在火箭貯箱中也可能出現這種狀況,在推進劑“出流”過程中,一旦出現這種狀況就要終止“出流”。而終止“出流”的時間越早,“不可用推進劑”數量越大,那麼,能不能研制出一種新的“出流”裝置,大幅減少“不可用推進劑”量呢?
2011年,這個問題擺在瞭一院一部11室5組邵業濤面前。那時,長征五號和長征七號運載火箭正在緊張的研制過程中,不同於常規運載火箭,長征五號的貯箱規格大,且是球形底,長征七號輸送管更粗,均不利於出流。
相同液面塌陷高度,5米貯箱的剩餘量會較普通貯箱高3倍多。試驗之初,采用常規型號使用的“出流裝置”,形成的“不可用推進劑”量始終遠大於總體要求,個別貯箱經過多次嘗試,剩餘量最小也達800公斤以上,占推進劑總量的約千分之八。
如果這部分“不可用推進劑”能夠盡可能多地被應用起來,不僅會減少浪費,還能減輕火箭“自重”,讓火箭運載更多的“有效載荷”上天。
“新出流裝置”研發起來並沒有那麼容易,然而,研制人員並沒有動搖,他們在廣泛調研國外文獻資糧,分析不同裝置的“防塌陷”效果,通過自學數值仿真軟件進行新裝置的有效性數值分析,想方設法將剩餘量減少下來。
功夫不負有心人,2012年11月,經過近百次試驗,適用於長征五號和長征七號火箭的全新“消漩防塌裝置”應運而生。
新“消漩防塌裝置”完全不同於在飛型號的出流裝置,它以蓋板加葉片形式防止貯箱內的“推進劑”出現頁面塌陷和漩渦,裝在火箭貯箱出流口位置。使長征五號一級氧箱、長征七號各“單出口貯箱”的推進劑剩餘量減少瞭50%,其他雙貯箱也實現瞭20%~30%的剩餘量減少,大幅提升瞭兩型火箭的運載能力。
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