全球首款液氧甲烷火箭“問天”，他們造出發(fā)動機“心臟”

6月24日上午，全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會在北京召開。由浙江理工大學、合肥通用機械研究院和藍箭航天空間科技股份有限公司等7家單位共同完成的項目“復雜多變工況離心泵關鍵技術及工程應用”項目，獲國家科技進步獎二等獎。

液體火箭、特種船舶和石油化工等高端領域的離心泵運行工況復雜多變，面臨深冷高壓、變參數(shù)低振動和嚴苛介質長周期運行等嚴峻考驗。該獲獎項目攻克多項技術瓶頸，實現(xiàn)了液氧甲烷渦輪泵、特種船舶低振動離心泵以及高端石化離心泵的自主可控與國產化開發(fā)應用，提升了國內特種離心泵的設計制造技術水平。

“我們整體的團隊研究目標就是要為我們國家在一些重要的流程裝備領域實現(xiàn)核心技術自主可控，以及民用的尖端領域流體工程裝備國產化而貢獻力量，未來我會帶領團隊繼續(xù)努力。”作為項目第一完成人，浙江理工大學教授朱祖超說道。

朱祖超教授（受訪者供圖）

【飛天】

貢獻“硬科技”

助推朱雀二號叩問蒼穹

仰望星空，是夢想的開始。去年，朱雀二號液氧甲烷火箭連續(xù)兩次成功發(fā)射，成為全球首款和目前唯一連續(xù)成功入軌的液氧甲烷火箭。

2023年7月12日09時，由藍箭航天研制的朱雀二號遙二液氧甲烷運載火箭在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，成為全球首枚成功入軌飛行的液氧甲烷火箭。

2023年12月9日07時，朱雀二號遙三液氧甲烷運載火箭再次發(fā)射升空，將三顆衛(wèi)星送入預定軌道，標志著朱雀二號成為全球?款連續(xù)發(fā)射成功的液氧甲烷運載火箭，其技術狀態(tài)成熟度和穩(wěn)定性得到了進?步驗證，可靠性達到商業(yè)化發(fā)射交付要求。

朱雀二號遙三液氧甲烷運載火箭（浙江理工大學供圖）

“運載火箭的關鍵在于發(fā)動機，發(fā)動機的關鍵在于渦輪泵。渦輪泵是火箭發(fā)動機和整個火箭唯一的高速旋轉部件、是火箭發(fā)動機的心臟?！闭憬砉ご髮W機械工程學院朱祖超教授及其領銜的流體工程團隊正是助力朱雀二號火箭發(fā)動機渦輪泵關鍵技術研究的專家團隊。朱祖超教授解釋，朱雀二號火箭定位中型液氧甲烷運載火箭，其渦輪泵采用雙低溫離心泵和同軸高溫渦輪的結構，開發(fā)難度巨大。

難在哪？作為液氧甲烷運載火箭的關鍵核心部件，渦輪泵結構復雜且運行環(huán)境惡劣，存在內部流動機理不清晰、流體激振難以控制、重復使用可靠性差以及裝配測試體系不完善等難題。

針對這些難題，朱祖超教授及浙江理工大學機械工程學院流體工程團隊與藍箭航天緊密合作，經過多年的聯(lián)合攻關，圍繞液氧甲烷發(fā)動機跨尺度精密制造、渦輪泵高參數(shù)流體動力設計和結構優(yōu)化等關鍵技術開展了大量研究工作，突破了渦輪泵多相流動、流體動力設計、雙低溫同軸泵設計、高壓比超音速渦輪設計、渦輪泵轉子動力設計以及渦輪泵裝配測試的技術瓶頸，率先開發(fā)出適用于80噸和10噸液氧甲烷發(fā)動機的雙低溫同軸渦輪泵，實現(xiàn)了在朱雀二號液氧甲烷液體火箭的裝載使用。

朱祖超教授介紹，該火箭采用兩級動力系統(tǒng)，一級動力系統(tǒng)由4臺天鵲80噸液氧甲烷主機并聯(lián)，二級動力系統(tǒng)采用1臺天鵲10噸液氧甲烷游機和1臺天鵲80噸液氧甲烷主機組合而成。該研究成果填補了國內液氧甲烷液體火箭多項技術空白，總體技術達到國際先進水平，其中低溫泵弱可壓空化湍流計算方法和基于振動響應-壓力脈動-內部流動-過流部件相互作用的轉子設計方法居國際領先水平。

那么，燃料為何選了液態(tài)甲烷？“運載火箭的綠色推進劑，目前主要有煤油、液氫、液態(tài)甲烷這三種，煤油具有一定毒性，而液氫由于密度小就需要非常多的量，液態(tài)甲烷具有無毒、無污染、低成本、自潔凈能力強和復飛維護性好等特點，成為低成本可重復使用運載火箭的理想推進劑?！敝熳娉淌趯Τ毙侣動浾呓忉屨f，近些年來，太空技術發(fā)展呈現(xiàn)低軌通訊、洲際運輸、載人登月和深空探測的新態(tài)勢，這就需要低成本高效率的商業(yè)運載火箭作為支撐，包括美國、法國在內的世界各國都在發(fā)展液氧甲烷液體火箭。

此外，藍箭航天是該項目主要完成單位，公司動力研發(fā)部、動力制造基地總經理劉磊作為主要完成人也表示，獲此榮譽不僅是對藍箭航天創(chuàng)新能力和技術實力的肯定，也體現(xiàn)出企業(yè)以實際行動響應和踐行國家戰(zhàn)略的責任感和使命感。藍箭航天一直以聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，實現(xiàn)關鍵核心技術突破，重視和加強“原創(chuàng)性”科技攻關為要務，將率先實現(xiàn)可重復使用液氧甲烷火箭的研制、入軌、回收、復飛，解決“卡脖子”技術制約作為公司的首要目標，為加快形成低成本、高頻次的快速發(fā)射能力，早日實現(xiàn)火箭航班化運營提供堅實的技術保障和創(chuàng)新動力。

劉磊透露，藍箭航天將緊扣“新質生產力”主題，堅持獨立自主研發(fā)道路，敢啃硬骨頭，勇攀新高峰，打造低成本、大運力的精品火箭，在商業(yè)航天這片戰(zhàn)略性新興產業(yè)的主陣地上，提升“硬科技”實力，塑造“藍箭樣本”。通過一子級十公里垂直起降回收試驗的成功，邁出可重復使用火箭技術突破的關鍵性一步，并瞄準2025年實現(xiàn)朱雀三號首飛，為推動國家航天事業(yè)進步和產業(yè)升級貢獻更多力量。

【攻堅】

向“新”突破

打破高端離心泵國外長期壟斷

很多人好奇，浙江理工大學原名浙江絲綢工學院，聽著和航天根本搭不上邊，這個項目怎么就花落在此？

其實，早在1988年，朱祖超就與航天運載火箭結緣，“我讀碩士，就是在航天運載技術研究院。最開始，藍箭航天在浙江省內也是找了一圈才找到我們。沒想到，我們浙江理工大學里面還有個既有理論基礎又有實踐經驗的流體工程團隊。”

除了支撐了全球首款液氧甲烷火箭連續(xù)成功發(fā)射，在該成果技術的派生下，目前已經形成的渦輪泵技術還推廣應用于低溫離心泵等流體機械的研發(fā)和設計制造，進一步提升了離心泵行業(yè)的技術水平和市場競爭力。

比如，應用渦輪泵低溫流動計算和設計技術，朱祖超團隊和杭州新亞公司開展合作，開發(fā)了輸送低溫液態(tài)甲烷的LNG高壓潛液泵，實現(xiàn)了在我國沿海液化氣接收站的國產化應用，替代了進口產品，為我國沿海液化氣接收站的自主建設和運行提供了裝備支撐。

“我們的技術，保障了特種船舶離心泵核心技術自主可控，并為大幅降低高端石化離心泵進口比例作出了重大貢獻。舉個例子，在鎮(zhèn)海煉油廠，之前一臺進口的高端離心泵就要3300萬，我們研發(fā)替代的一臺泵只需800萬，現(xiàn)在倒逼了國外商家也開始大幅降價，價格基本和我們接近了。”朱祖超教授說。

朱祖超團隊部分成員（浙江理工大學供圖）

朱祖超在浙江理工大學組建了特種流體機械創(chuàng)新團隊，目前團隊擁有專職教師40名，全部具有博士學位，重點圍繞航空航天、特種船舶和深海采礦等尖端領域以及煉油、化工和煤化工等流程工業(yè)領域的流體機械裝備核心技術可控和國產化，開展應用基礎研究和技術開發(fā)應用，整體研究能力和水平走在國內前列。

向“強”聚力，向“新”突破，朱祖超在浙江理工大學組建了特種流體機械創(chuàng)新團隊擁有專職教師40名，持續(xù)開展應用基礎研究和技術開發(fā)應用，團隊的科技成果跑出加速度。

本月初，浙江理工大學流體工程團隊在Top期刊《Lab on a Chip》發(fā)表封面論文，聚焦海洋微塑料污染問題。

Top期刊《Lab on a Chip》封面論文（浙江理工大學供圖）

一直以來，塑料污染都是備受關注的全球環(huán)境問題。從海洋到土壤，從植物到人體，塑料顆粒仿佛無處不在。特別是海洋微塑料污染問題，已在全球范圍內引起普遍關注，并被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為“全球十大新興環(huán)境問題”之一。

微塑料顆粒是指直徑小于5毫米的塑料碎片和顆粒。與“白色污染”塑料相比，微塑料出現(xiàn)在人們生活的方方面面，近期科研工作者在人類母乳、瓶裝礦泉水、快餐盒中發(fā)現(xiàn)大量微塑料顆粒。微塑料顆粒的危害體現(xiàn)在其顆粒直徑微小，可通過氧化應激、神經損傷、內分泌干擾以及免疫損傷等作用機制對生物體產生一定的毒性效應。浮游動物和魚類攝食微塑料會隨著食物鏈進行傳遞累積，影響人類健康。這是其與一般的不可降解塑料相比，對于環(huán)境的危害程度更深的原因。

浙江理工大學流體工程朱祖超教授團隊基于魔鬼魚濾食器官的微結構，結合U形微通道中顆粒的慣性遷移特性，設計具有仿生過濾葉結構的U形微流控芯片過濾器，以實現(xiàn)微塑料顆粒的高通量和高效率分離。相關研究成果發(fā)表在Top期刊《Lab on a Chip》上，并被評選為封面論文，這是浙江理工大學首次以第一單位在該期刊發(fā)表論文。

“我們提出的仿生微流控芯片具有多種優(yōu)勢，包括處理量大、過濾效率高、自清潔能力強和過濾顆粒粒徑小。因此，這種新型過濾器還可為短時間需要處理大量小粒徑樣品液體的應用提供了一種有前景的辦法?！闭憬砉ご髮W機械工程學院青年教師胡簫為第一論文和第一通訊作者，也是朱祖超教授團隊成員之一。他介紹說，該研究成果得到了國家自然科學基金項目和浙江省自然科學基金項目的支持，研究設計的仿生過濾器實現(xiàn)微尺度顆粒的高通量和高效率過濾，最大流量高達8 mL min-1，確定了最優(yōu)流量為6 mL min-1時，10 μm和15 μm顆粒最大過濾效率為96.08%和97.14%。

“主動對接國家重大戰(zhàn)略需求，服務地區(qū)、行業(yè)發(fā)展，我會帶領我們團隊繼續(xù)往這方面努力?！敝熳娉淌谡f，本次獲得國家科學技術進步獎，他和團隊成員們深感無上榮耀，更將此視為鼓勵和鞭策。

朱祖超教授（受訪者供圖）