朱森元，中國運載火箭技術(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，江蘇溧陽人，畢業(yè)于莫斯科包曼高工研究生院，回國后參加過我國第一代地地導(dǎo)彈的研制，1970年開始主持氫氧火箭發(fā)動機的預(yù)先研究，轉(zhuǎn)為型號研制后繼續(xù)參加研制工作。直到第一，第二顆通訊衛(wèi)星成功發(fā)射。
朱森元院士曾任國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)航天領(lǐng)域?qū)＜医M成員，火箭發(fā)動機和大型運載火箭專家組組長，國家高技術(shù)航天領(lǐng)域863-702專家組技術(shù)咨詢專家。
曾獲國家科技進步一等獎。2001年2月獲國家科技部和解放軍總裝備部授予的“國家863計劃十五周年先進個人”獎牌和榮譽證書。
氫氧火箭發(fā)動機的特點
20世紀60年代初蘇聯(lián)和美國展開載人登月競賽美國非常重視大推力氫氧火箭發(fā)動機的研制，其“土星-5號”載人登月運載火箭，除一級由五臺大推力液氧煤油發(fā)動機組成的助推器外，二級和三級火箭都用大推力氫氧火箭發(fā)動機，因此起飛重量只有2950噸，結(jié)構(gòu)簡單、性能先進、可靠性高，成功地實現(xiàn)了6次載人登月，當時蘇聯(lián)雖有技術(shù)最先進的液氧煤油火箭發(fā)動機，但推力較小，單機推力只有150噸。由于沒有重視大推力氫氧火箭發(fā)動機的研制。蘇聯(lián)只能用“科學-1 號”運載火箭。助推器由32臺單機液氧煤油發(fā)動機捆綁而成，起飛重量高達3 800噸，不僅性能不先進，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)達國家都追求用先進的氫氧火箭發(fā)動機作運載火箭的動力裝置。
氫氧火箭發(fā)動機和普通火箭發(fā)動機一樣，由渦輪泵將推進劑增壓到設(shè)計值后，送入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高壓高溫燃氣流，通過噴管轉(zhuǎn)換成推力，推動火箭加速飛行。它最突出的優(yōu)點是采用了高能的液氫液氧作推進劑。在化學推進劑中，氫氧火箭發(fā)動機的比沖最高，所謂比沖是指從噴管中每排出1千克／秒流量燃氣，能產(chǎn)生多少千克推力之意。這是一個非常重要的性能數(shù)據(jù)，它不僅是火箭發(fā)動機先進性的標志，還決定著火箭的起飛質(zhì)量。
要用液氫液氧作推進劑，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)，若要使運載火箭技術(shù)進入國際先進行列，以上這些技術(shù)是首先必須解決的。
我國氫氧火箭發(fā)動機如何從基礎(chǔ)研究走上工程應(yīng)用?
早在1958至 1960年間，錢學森任中國科學院力學所所長時，在北京懷柔就開始籌建氫氧火箭發(fā)動機的研究工作主要研究氣氫液氧的燃燒技術(shù)，最初試驗件的推力只有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，研究工作被迫停止了。
1961年，當時的國防科委根據(jù)錢學森同志的建議成立140專業(yè)組，研究液氫在火箭上的應(yīng)用問題，1962年6月，在國防部五院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)和相關(guān)的低溫技術(shù)研究。
1965年3月，當時的一分院11所組建氫氧火箭發(fā)動機研究小組，同年9月國防科委在上海召開了140-3次專業(yè)會議，除101站和11所參加外，還有鐵道部和燃化部等的機關(guān)人員參加。會上確定101站負責研制30米3真空多層絕熱的試驗液氫貯箱，鐵道部負責研制40米3鐵路運輸液氫槽車，燃化部負責液氫工業(yè)生產(chǎn) 這次會議大大促進了液氫低溫技術(shù)的發(fā)展。101站不僅加快了液氫生產(chǎn)車間建設(shè)的進度，而且考慮到減少大型超低溫液氫貯箱研制的風險，先研制一個6.5米3真空多層絕熱的液氫貯箱、3.5米3的公路運輸液氫槽車以及通用的800升真空絕熱的液氫高壓試驗貯箱。這些基礎(chǔ)設(shè)施為氫氧火箭發(fā)動機各種部件的預(yù)先研究提供了必要的條件。
1966年9月14日，101站負責液氫生產(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”進入高潮，全部工作又停了下來。
第一次推動1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(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)動機研究設(shè)計所幾位技術(shù)人員研究：將“長征一號”運載火箭的固體三子級換成氫氧三子級火箭，能否用來運載導(dǎo)航衛(wèi)星?大家對此問題很感興趣，認為可列入發(fā)展規(guī)劃開展研究于是火箭總體設(shè)計部提出了氫氧火箭發(fā)動機設(shè)計任務(wù)書的征求意見稿，要求真空推力為4噸，第一步為一次起動，由燃氣舵控制推力向量，第二步要求二次起動和雙向搖擺。這就是我國第一臺氫氧火箭發(fā)動機(代號YF-70)設(shè)計任務(wù)書的來源，于是氫氧火箭發(fā)動機的預(yù)先研究正式展開。
1970年的政治形勢對發(fā)展氫氧火箭發(fā)動機新技術(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)合的形式開展預(yù)研比較適合當時的社會潮流。1970年12月15日，成立了設(shè)計、試驗、生產(chǎn)三結(jié)合研制隊伍，全部設(shè)計人員都下到車間開展設(shè)計由于設(shè)計人員的事業(yè)心很強，又能吃苦耐勞，工人師傅很歡迎知識分子和他們結(jié)合。積極主動支持氫氧火箭發(fā)動機新技術(shù)研究。因此在初期，簡單的試驗件研究工作進展很順利，如早已下廠的800千克推力氫氧燃燒試驗件，只用一個月左右就生產(chǎn)出來了，1971年春節(jié)前，當101站進行第一次800千克推力液氫液氧燃燒試驗成功時，七機部的領(lǐng)導(dǎo)親臨現(xiàn)場來觀看和祝賀。
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高速傳動齒輪連接的，齒輪在30 K的超低溫下的條件下工作，它的潤滑問題如何解決?研制隊伍于是決定自建超低溫高速傳動齒輪試驗臺，日夜奮戰(zhàn)6個月，將11所高速泵試驗臺增加套低溫系統(tǒng)，開展了高速傳動齒輪潤滑方案的篩選試驗。通過6個方案的篩選，初步找到了固體潤滑膜方案，突破了一個技術(shù)關(guān)鍵。
這種會戰(zhàn)性的三結(jié)合研制，不僅解決了氫氧渦輪泵設(shè)計問題，也確定了氫氧發(fā)動機的推進劑供應(yīng)系統(tǒng)方案，同時又找到一種低溫工程塑料可用作液氫活門的密封材料，所以在那時的形勢下三結(jié)合確實給氫氧發(fā)動機預(yù)研工作起到了“第一次推動”作用。
氫氧發(fā)動機的首次寒流在極左思潮橫行的時候，不允許全力以赴的攻克技術(shù)關(guān)鍵，有人指責氫氧三結(jié)合是搞唯生產(chǎn)力論，忽視了對知識分子的改造等，于是不得不花很多時間去參加各種講用會、批判會，接受再教育，更糟糕的是導(dǎo)航衛(wèi)星運載任務(wù)亦莫名其妙地被取消了，氫氧發(fā)動機的預(yù)研工作幾乎無人過問。
任何新技術(shù)的突破總不會一帆風順的，氫氧火箭發(fā)動機亦不例外。研制過程中的各種各樣的怪現(xiàn)象也接踵而來。
驗收3.5米3的液氫公路運輸槽車時，需要加注液氫以檢查它的日蒸發(fā)率但經(jīng)過24小時加注后，制氫車間報告已加了3米3的液氫，但試驗人員確認車內(nèi)還沒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輸槽車的安全距離有30米，長距離管道輸送系統(tǒng)的漏熱問題沒有解決，所以液氫在輸送管內(nèi)已經(jīng)變成氣氫了。
氫氧燃氣發(fā)生器熱試車，明明點著了火，但過一會兒，火焰沖出燃燒室外，在遠離試驗件2米處燃燒，而燃氣發(fā)生器竟成為冷流噴射器，這顯然是氫氧混合比嚴重偏離設(shè)計值造成的。怎么會自動變化氫氧混合比呢?
測量液氫液面用的陶瓷晶體片浸泡在液氫杜瓦瓶內(nèi)，竟失去了信號，懷疑是線路松動，取出檢查后再次放入液氧杜瓦瓶內(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)計方、使用方對故障分析意見不一，誰亦說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)動機不是那么容易。于是各種吹冷風的言論亦從多方面襲來，這陣寒流吹得氫氧火箭發(fā)動機的研制隊伍處于低潮。