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嫦娥五号发射背后 嫦娥五号发射背后是什么

2020-12-21 10:31:54  来源:红星新闻

12月19日,国家航天局在京举行探月工程嫦娥五号任务月球样品交接仪式,标志着我国首次地外天体样品储存、分析和研究拉开序幕。

据统计,“嫦娥五号”从海南文昌航天发射场出发奔向月球,经地月和环月飞行,在月面选定区域着陆,完成月球样品采集工作,从发射入轨到返回器再入回收,共经历11个飞行阶段,23天的太空探险。要完成这些飞行工作,离不开长征五号运载火箭和嫦娥五号探测器上装载的107台发动机的保驾护航。

近日,红星新闻记者对话中国航天科技集团有限公司第六研究院(以下简称航天六院)多位参与者。此次,该院共研制交付了107台大小发动机,其中长征五号遥五火箭上配套30台发动机,包含8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机及2台9吨级膨胀循环氢氧发动机,为我国新一代运载火箭研制出的主动力装置。

此外,探测器配套77台发动机,完成轨道修正、近月制动、月面上升等一系列繁重任务。尤其是为探测器量身定做的2型3台新型发动机——3000N轨控发动机和7500N变推力发动机,发挥关键作用,全程为探测器落月、取样和返回提供动力保障。

30多年研发生涯

试验时间近10万秒

11月24日4时30分,我国长征五号遥五运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空,经过2200多秒的飞行,成功将“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道,发射取得圆满成功。

此时的发射中心控制大厅回荡着沸腾的欢呼声,此前紧张的情绪终于得到释放,工作人员相互拥抱,记者将摄像机对准喜悦的人群,不少人在后面的电视转播镜头中看见了自己。

飞行时间刚过2000秒,50多岁的刘站国将身边的年轻人推向镜头,悄然离开喧嚣的人群。心脏功能不是很好的他,从前一天就没有休息,此时准备回去补个觉。

“原来试车很激动,激动是因为那时候还有问题,担心会不会爆炸。现在发动机打造好了我就很平静,因为有信心,知道发动机不会出问题。”刘站国向红星新闻记者表示。

上世纪九十年代初,刚刚研究生毕业的刘站国参与到研制团队中,经过二十多年时间,研制成功具有世界领先水平的120吨级YF-100、18吨级YF-115等多种型号液氧煤油发动机,使我国近地轨道最大运载能力提高到2倍以上,为探月工程、火星探测等重大任务奠定动力基础,刘站国也成长成为新一代研制者的领军人物。

在航天六院液氧煤油发动机领域总师刘站国看来,液体火箭发动机难就难在它是一个很复杂的热力机械,很多知识是书本上找不到的,需要不断地在实践中去探索。在他30多年的研发生涯中,共研制出300多台发动机,交付70多台,试验时间近10万秒。

发射嫦娥五号探测器的“长征五号”运载火箭上,配套了航天六院研制的30台火箭发动机。其中,8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机及2台9吨级氢氧发动机,全部是我国新一代绿色环保发动机,护送嫦娥五号开启探月之路。

最紧张的倒数十秒

对于这次火箭发动机的表现,在长征五号运载火箭副总设计师、航天科技集团六院11所液氧煤油发动机副总师陈建华看来,火箭入轨精度是十环中的十环,靶心中的靶心,准确无误地将嫦娥五号送达预定轨道。从发动机备料开始,到生产、试验、交付、组装、运输、检测,一直到最后的发射到达精准入轨,圆满完成任务。

陈建华告诉红星新闻记者,在液体火箭发动机专业术语里,有一个很让人头痛的词儿,叫“不稳定性”,是液体火箭发动机研制中的第一大难关。过去很少有人研究这个问题,因为它涉及到燃烧、传热、流动相关的所有问题,极其复杂又极其危险。

“从液氧煤油发动机研制到现在30来年,我们仍然在对这个问题进行研究。一个问题居然孜孜不倦、乐此不疲研究了30年,而且越研究越能发现一些新问题,特别是一些新的技术风险。因此,搞火箭发动机,通俗来讲,是一个在刀尖上跳舞的专业。”陈建华说。

航天六院11所负责发动机技术抓总、成品验收与交付等工作。相比于前辈,今年35岁江勇显得年轻很多,他所在的常温液体火箭发动机总体研究室,主要负责液体火箭发动机的总体工作。

“我个人来讲,每次火箭发射前倒数前10秒是最紧张的时刻,然后就是在发动机点火之后的四五秒,因为大部分发动机出现问题就是在这个时间内。”江勇坦言道。

这次发射,江勇和他的同事们在西安观看了火箭发射和探测器落月起飞的全过程。从现场的工作人员反馈的数据看,发动机各项参数都比较完美,江勇紧张的心终于放松下来。

单台发动机3000多个零件

近10万个工序

航天液体动力的典型特点是燃烧压力高、流量大、过程复杂,工况恶劣,故障发展迅速,难以进行容错性设计和实时维护。每台发动机融合热力、气动、燃烧、流体等多个学科,涉及机械、材料、化工等多种行业,几千个导管、上万道焊缝,一旦上箭没有冗余,每一个短板都是影响任务成功的关键。

一台火箭发动机,从原材料进厂到发动机出厂,一般需要两年的时间。作为我国唯一的大型液体火箭发动机专业研制生产厂,航天六院7103厂负责发动机生产及总装,承担通用物资采购、零组件生产、发动机集成测试,承担着高密度发射重任。

“单台发动机上有3000多个零件,将近10万个工序。从原材料入场到产品出厂,全厂2000多名工人几乎都会参与其中,任何一个环节出问题都会影响发动机最终的表现。”

7103厂总工程师陈新红告诉红星新闻记者,液体火箭发动机研制工艺流程非常复杂,涉及机械加工、锻造、铸造、钣金、焊接、特种加工、装配等20余个制造专业,近70种工艺方法。目前,无论是我国还是国际上其他国家,发动机生产过程自动化程度都不高,初略统计自动化率为10%左右。其中的焊接、检测、装配等核心步骤都需要人工完成,这也解释了为什么航天领域诞生出那么多位“大国工匠”。

长征五号遥三液氧煤油火箭发动机出厂前,7103厂对产品全面进行X光透视检查,对1万多张底片进行判读,对不可检、不可测项目再次进行检查确认。

“发动机检测方法非常全,包括尺寸检测、表面质量检测、内部质量检测等多项流程。有些肉眼看不到的地方要用X光、超声波检查,可以说我们人在医院体检用到很多检测设备,火箭发动机也都会用到。”陈新红说。

用于嫦娥五号着陆与返回的三套推进分系统,六院为其研制了77台大小不同、性能各异的轨姿控发动机。其中轨道器上的一台3000N发动机,为地月转移、月地转移中途修正、近月制动、离月加速提供推力,而上升器上的另外一台3000N发动机,将为月面起飞提供推力,相当于月球上的一枚微缩版运载火箭。1台7500N变推力发动机,将完成探测器着陆组合体月面软着陆任务。

零件精度控制在头发丝的八十分之一

航天六院7103厂阀门制造车间车工张勇峰,他曾是全国五一劳动奖章获得者。由他带领的阀门车间机加一组承担各型火箭发动机百余种阀门组件的生产任务,精确度会直接影响火箭发动机能否正常启动、关机、调姿。

嫦娥五号探测器接近月球后会受月球引力影响,下落速度过快会撞向月球。7500N变推力发动机的功能是探测器近月之后产生反向的推力,起到一个“刹车”的作用。

“距离月球地表大概有100米的时候,7500N发动机开始工作,形成反推力来克服嫦娥五号撞向月球的惯性;大概距离月面几十米高的时候,发动机可以使探测器做到空中悬停,使探测器漂浮空间,来观察地面的情况,选择平缓的地面再继续下降。到了离月面4米高的地方,发动机关机,探测器缓慢平稳着陆。”张勇峰表示。

要使发动机做到上述工作,需要依靠流量调节器这个重要的组件。流量调节器上面所有的零件都是由张勇峰和他所在的车间加工的。由于零件精度要求极其精密,从产品的研发到投产,前后花费了近10年时间。

“平时我们加工液氧煤油发动机里面的零件,绝大多数零件公差已经很小,拿头发丝来形容是二分之一到四分之一的宽度。而流量调节器里面个别零件,比如调节流量用的调节锥,它的零件精度要控制在一根头发丝的八十分之一,比平常零件要高出几十倍的精度,属于精密加工。从工艺设计到制造投产,我们攻克了许多难关。”张勇峰告诉红星新闻记者。

“这次长征五号发射,发动机表现十分完美,我看火焰特别漂亮,发动机喷出的火焰对称性和均匀性有一种美,说明它工作状态很好。”陈建华说,接下来长征五号还承担了发射空间站核心舱等多个重大任务,他们也还在继续攻关更大推力更为先进的航天发动机。

红星新闻记者 任江波 摄影 王红强

编辑 郭宇

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