获国家科技进步奖二等奖 全球首款液氧甲烷火箭“问天”他们造出发动机“心脏”

  6月24日上午，全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会在北京召开。由浙江理工大学、合肥通用机械研究院和蓝箭航天空间科技股份有限公司等7家单位共同完成的项目“复杂多变工况离心泵关键技术及工程应用”项目，获国家科技进步奖二等奖。

  液体火箭、特种船舶和石油化学工业等高端领域的离心泵运行工况复杂多变，面临深冷高压、变参数低振动和严苛介质长周期运行等严峻考验。该获奖项目攻克多项技术瓶颈，实现了液氧甲烷涡轮泵、特种船舶低振动离心泵以及高端石化离心泵的自主可控与国产化开发应用，提升了国内特种离心泵的设计制造技术水平。

  “我们整体的团队研究目标就是要为我们的祖国在一些重要的流程装备领域实现核心技术自主可控，以及民用的尖端领域流体工程装备国产化而贡献力量，未来我会带领团队继续努力。”作为项目第一完成人，浙江理工大学教授朱祖超说道。

  仰望星空，是梦想的开始。去年，朱雀二号液氧甲烷火箭连续两次成功发射，成为全世界首款和目前唯一连续成功入轨的液氧甲烷火箭。

  2023年7月12日9时，由蓝箭航天研制的朱雀二号遥二液氧甲烷运载火箭在我国酒泉卫星发射中心发射成功，成为全世界首枚成功入轨飞行的液氧甲烷火箭。

  2023年12月9日7时，朱雀二号遥三液氧甲烷运载火箭再次发射升空，将三颗卫星送入预定轨道，标志着朱雀二号成为全世界⾸款连续发射成功的液氧甲烷运载火箭，其技术状态成熟度和稳定能力得到了进⼀步验证，可靠性达到商业化发射交付要求。

  “运载火箭的重点是发动机，发动机的重点是涡轮泵。涡轮泵是火箭发动机和整个火箭唯一的高速旋转部件，是火箭发动机的心脏。”朱祖超及其领衔的流体工程团队正是助力朱雀二号火箭发动机涡轮泵关键技术探讨研究的专家团队。朱祖超解释，朱雀二号火箭定位中型液氧甲烷运载火箭，其涡轮泵采用双低温离心泵和同轴高温涡轮的结构，开发难度巨大。

  难在哪？作为液氧甲烷运载火箭的关键核心部件，涡轮泵结构较为复杂且运行环境恶劣，存在内部流动机理不清晰、流体激振难以控制、重复使用可靠性差以及装配测试体系不完善等难题。

  针对这一些难题，朱祖超及浙江理工大学机械工程学院流体工程团队与蓝箭航天紧密合作，经过多年的联合攻关，围绕液氧甲烷发动机跨尺度精密制造、涡轮泵高参数流体动力设计和结构优化等关键技术开展了大量研究工作，突破了涡轮泵多相流动、流体动力设计、双低温同轴泵设计、高压比超音速涡轮设计、涡轮泵转子动力设计以及涡轮泵装配测试的技术瓶颈，率先开发出适用于80吨和10吨液氧甲烷发动机的双低温同轴涡轮泵，实现了在朱雀二号液氧甲烷液体火箭的装载使用。

  朱祖超介绍，该火箭采用两级动力系统，一级动力系统由4台天鹊80吨液氧甲烷主机并联，二级动力系统采用1台天鹊10吨液氧甲烷游机和1台天鹊80吨液氧甲烷主机组合而成。该研究成果填补了国内液氧甲烷液体火箭多项技术空白，总体技术达到国际领先水平，其中低温泵弱可压空化湍流计算方式和基于振动响应-压力脉动-内部流动-过流部件相互作用的转子设计方法居国际领先水平。

  那么，燃料为何选了液态甲烷？“运载火箭的绿色推进剂，目前主要有煤油、液氢、液态甲烷这三种，煤油具有一定毒性，而液氢由于密度小就需要非常多的量，液态甲烷具有无毒、无污染、低成本、自洁净能力强和复飞维护性好等特点，成为低成本可重复使用运载火箭的理想推进剂。”朱祖超对潮新闻记者解释说，近些年来，太空技术发展呈现低轨通讯、洲际运输、载人登月和深空探测的新态势，这就需要低成本高效率的商业运载火箭作为支撑，包括美国、法国在内的世界各国都在发展液氧甲烷液体火箭。

  此外，蓝箭航天是该项目主要完成单位，公司动力研发部、动力制造基地总经理刘磊作为主要完成人表示，获此荣誉不仅是对蓝箭航天创造新兴事物的能力和技术实力的肯定，也体现出企业以实际行动响应和践行国家战略的责任感和使命感。蓝箭航天一直以聚焦国家重大战略需求，实现关键核心技术突破，重视和加强“原创性”科技攻关为要务，将率先实现可重复使用液氧甲烷火箭的研制、入轨、回收、复飞，解决“卡脖子”技术制约作为公司的首要目标，为加快形成低成本、高频次的快速发射能力，早日实现火箭航班化运营提供坚实的技术保障和创新动力。

  刘磊透露，蓝箭航天将紧扣“新质生产力”主题，坚持独立自主研发道路，敢啃硬骨头，勇攀新高峰，打造低成本、大运力的精品火箭，在商业航天这片战略性新兴起的产业的主阵地上，提升“硬科技”实力，塑造“蓝箭样本”。通过一子级十公里垂直起降回收试验的成功，迈出可重复使用火箭技术突破的关键性一步，并瞄准2025年实现朱雀三号首飞，为推动国家航天事业进步和产业升级贡献更多力量。

  很多人好奇，浙江理工大学原名浙江丝绸工学院，听着和航天根本搭不上边，这一个项目怎么就花落在此？

  其实，早在1988年，朱祖超就与航天运载火箭结缘，“我读硕士，就是在航天运载技术研究院。最开始，蓝箭航天在浙江省内也是找了一圈才找到我们。没想到，我们浙江理工大学里面还有个既有理论基础又有实践经验的流体工程团队。”

  除了支撑了全球首款液氧甲烷火箭连续成功发射，在该成果技术的派生下，目前已形成的涡轮泵技术还推广应用于低温离心泵等流体机械的研发和设计制造，逐步提升了离心泵行业的技术水平和市场竞争力。

  比如，应用涡轮泵低温流动计算和设计技术，朱祖超团队和杭州新亚公司开展合作，开发了输送低温液态甲烷的LNG高压潜液泵，实现了在我国沿海液化气接收站的国产化应用，替代了进口产品，为我国沿海液化气接收站的自主建设和运行提供了装备支撑。

  “我们的技术，保障了特种船舶离心泵核心技术自主可控，并为大幅度降低高端石化离心泵进口比例作出了重大贡献。举个例子，在镇海炼油厂，之前一台进口的高端离心泵就要3300万，我们研发替代的一台泵只需800万，现在倒逼了国外商家也开始大幅降价，价格基本和我们接近了。”朱祖超说。

  朱祖超在浙江理工大学组建了特种流体机械创新团队，目前团队拥有专职教师40名，全部具有博士学位，重点围绕航空航天、特种船舶和深海采矿等尖端领域以及炼油、化工和煤化工等流程工业领域的流体机械装备核心技术可控和国产化，开展应用基础研究和技术开发应用，整体研究能力和水平走在国内前列。

  本月初，浙江理工大学流体工程团队在Top期刊《Lab on a Chip》发表封面论文，聚焦海洋微塑料污染问题。

  一直以来，塑料污染都是非常关注的全球环境问题。从海洋到土壤，从植物到人体，塑料颗粒仿佛无处不在。特别是海洋微塑料污染问题，已在全世界内引起普遍关注，并被联合国环境规划署列为“全球十大新兴环境问题”之一。

  微塑料颗粒是指直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒。与“白色污染”塑料相比，微塑料出现在我们正常的生活的方方面面，近期科研工作者在人类母乳、瓶装矿泉水、快餐盒中发现大量微塑料颗粒。微塑料颗粒的危害体现在其颗粒直径微小，可通过氧化应激、神经损伤、内分泌干扰以及免疫损伤等作用机制对生物体产生一定的毒性效应。浮游动物和鱼类摄食微塑料会随着食物链进行传递累积，影响人类健康。这是其与一般的不可降解塑料相比，对于环境的危害程度更深的原因。

  朱祖超团队基于魔鬼鱼滤食器官的微结构，结合U形微通道中颗粒的惯性迁移特性，设计具有仿生过滤叶结构的U形微流控芯片过滤器，以实现微塑料颗粒的高通量和高效率分离。相关研究成果发表在Top期刊《Lab on a Chip》上，并被评选为封面论文，这是浙江理工大学首次以第一单位在该期刊发表论文。

  “我们提出的仿生微流控芯片具有多种优势，包括处理量大、过滤效率高、自清洁能力强和过滤颗粒粒径小。因此，这种新型过滤器还可为短时间需要处理大量小粒径样品液体的应用提供了一种有前景的办法。”浙江理工大学机械工程学院青年教师胡箫为第一论文和第一通讯作者，也是朱祖超小组成员之一。他介绍说，该研究成果得到了国家自然科学基金项目和浙江省自然科学基金项目的支持，研究设计的仿生过滤器实现微尺度颗粒的高通量和高效率过滤，最大流量高达8 mL min-1，确定了最优流量为6 mL min-1时，10 μm和15 μm颗粒最大过滤效率为96.08%和97.14%。

  “主动对接国家重大战略需求，服务地区、行业发展，我会带领我们团队继续往这方面努力。”朱祖超说，本次获得国家科学技术进步奖，他和小组成员们深感无上荣耀，更将此视为鼓励和鞭策。