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嫦娥三号7500N变推力发动机达国际先进水平

2014-01-07 09:40:05 来源: 中国新闻网    文字大小:   [举报] 已有评论(0)

 
 
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  嫦娥三号登月成功
 
 

  嫦娥登月架天梯


 
 

  ——7500N变推力发动机主任设计师兰晓辉的故事


 
 

  中新网1月6日电2013年12月14日晚9时11分, 当美丽的嫦娥三号月球探测器怀抱玉兔号月球车,在天宇划出一道美妙的弧线,稳稳地落在月面那一刻,坐在北京航天飞行控制中心大厅的7500N变推力发动机主任设计师兰晓辉,喉咙轻轻蠕动了几下,继而深深地舒了一口气。


 
 

  从兰晓辉提前三个多月进驻西昌做发射前检查准备到这关键一刻,他的心里就装满了关于变推力发动机的一切:各项参数、性能、状态……随时想起来在内心捋一捋,盘算一遍,放心了,转而可以做手上的工作了。这段时间,对兰晓辉而言,除了这台发动机,心里真的没有别的余地了。


 
 

  2006年,航天科技集团公司六院开始组织变推力发动机前期论证,国内外经验与资料同时匮乏,兰晓辉所在的六院11所变推力发动机研制团队经数年艰苦鏖战,终于攻克了一系列关键技术和核心技术难关。


 
 

  “今天这一刻,总算尘埃落定了,可以说,嫦娥三号以最理想、最完美的方式,完成了我们当初研发设计的想法。”刚刚回到西安的兰晓辉,回想起当时那一刻,还禁不住露出兴奋的神情,寄托着一名航天人对任务圆满成功的特殊情感。


 
 

  茕茕而立一路艰辛劈山破迷雾


 
 

  从事航天液体动力事业20余年的兰晓辉,是高空发动机专业技术领域的专家,在接到7500N变推力发动机研制任务之前,他多年扑身于运载火箭三级发动机二次启动研制工作,参与解决了我国常规推进剂二次启动发动机的空白,保证了该型号运载火箭发动机各次飞行取得圆满成功。


 
 

  由于变推力发动机与高空发动机有着多次启动、高工况工作的共同特点,外人看来,他与探月工程结缘也正因于此。但从专业角度来说,二者几乎没有任何关联的地方,一个是固定推力,一个是变推力,从结构设计上一个是固定部件,一个是活动部件,简直是天壤之别。


 
 

  2006年,兰晓辉着手变推力发动机可行性研制论证,此前对变推力发动机的认识只限于原理的学习,如何完成可行性论证,是摆在他面前第一道难题。然而,在他看来,借着探月工程第二步关键任务的牵引,填补我国变推力发动机的研制空白,可谓天赐良机。


 
 

  国内从未有任何变推力发动机研制经验,国外资料严重封锁无可借鉴,落月方案尚存争议,在最短的时间内,必须解决发动机的关键技术,否则研制立项就会化为泡影。在云山雾绕、困难重重中,兰晓辉脑海里浮现出变推力发动机将要完成嫦娥追云逐月的美丽梦想,即刻像一部开足马力的机器,风风火火开展工作。


 
 

  变推力发动机研制初期是艰难的,可谓“步履维艰”。兰晓辉和他不到10个人的研制团队,只能象蚂蚁啃骨头一般,挖掘现有的发动机基础理论和相关技术,去实现新的研制要求。“首先要确定发动机各项设计目标,对各个部组件进行多方案论证,理顺各个方案组合的可行性。”先期的试验基本都在失败中结束,在2006年至2008年的时光中,随机的部件小试验和系统组合试验,每周都在上演,一台试验产品生产出来后,立马试验的冲动就涌上他的心头。“那时真的是急着去验证,结果最能说明问题。”兰晓辉回忆道。


 
 

  因发动机完成装配到达研究所时,往往都是下午或者晚上,他带领他的团队索性晚上或凌晨就开始试验。加上发动机大都是活动组合件,需要先进行液流试验。一位团队成员调侃道,每次接到“液流”试验安排,也就意味着要“夜留”了。


 
 

  在早期的燃烧试验中,发动机温度过高、性能很低、推力室烧穿的事,就是家常便饭。显然,这距离兰晓辉心中系统集成、简单可靠的目标还差得很远。


 
 

  正是因为新,没有先行经验,所以当一个新的方案提出来,兰晓辉都会组织大家一起讨论,在智慧的碰撞中前行。


 
 

  他和他的团队考虑空间环境条件和月球探测任务的特殊需求,开发了发动机性能仿真计算软件、热环境仿真试验等软件,加快了研制进度,节约了研制经费。


 
 

  经过一年多夜以继日的艰苦鏖战,2007年底,7500N发动机基本方案定了下来,2008年4月,完成了600秒长时间可靠性试车,标志着该型发动机关键技术得到全面突破,转入工程研制。


 
 

  40多岁的兰晓辉这样形容当时的心情,犹如在大山里迷路的孩子,终于走了出来,但回家的路还很长。


 
 

  苍穹踌躇嫦娥舒袖还要闯多关


 
 

  发动机原理性方案确定后,就要着手研究发动机如何符合总体需求,适应严苛的发射过程和空间在轨环境。在兰晓辉看来,这才真正开始了变推力发动机逐月的历程。


 
 

  兰晓辉介绍说,“变推力发动机作为探测器的心脏,在飞行中的作用举足轻重,为了进一步确保可靠性,保证在多种飞行需求下万无一失,在试验台上会把发动机的工作时间延长到比实际飞行多两倍,甚至几倍的时间,空间环境预想更为严峻苛刻,使得每个零部组件的耐温、耐压、耐磨等性能受到严格的考验,获得准确的数据。”这对于7500N变推力发动机这个“新生儿”来说,真是巨大的挑战。


 
 

  与压力和挑战同生的,必然是光荣和使命。任何压力和挑战似乎并没有让兰晓辉畏缩,反而化成了源源动力,让他干劲十足,永不懈怠。


 
 

  38万公里的奔月之路,预示着发动机要长期在轨,在昼夜交替的真空环境,发动机能否在近200℃的温差下保持稳定工作,这是发动机结构设计和推进剂质量必须面对的问题。


 
 

  “即使在太阳光能够照射到探测器时,7500N发动机也基本在探测器背部,温度依然很低。”兰晓辉介绍说。“变推力发动机内部构造基本是活动件,依次咬合在一起,要预防空间冷焊现象的发生,遇到极度低温还容易出现点火启动问题,后果不堪设想。”那段日子里,除了对材料进行分析研判,就是寻找彻底解决问题的途径。


 
 

  在奔月之路高温低温环境下,推进剂能否多次顺利点火,虽是兰晓辉研制多次高空启动发动机时掌握的的拿手绝活,他也不敢丝毫怠慢,多次试验证明可靠,方才安心。


 
 

  紧跟而来的,是大尺寸产品力学振动试验,在发射飞行的高强度震动中,发动机零部组一旦发生震裂或结构破坏,所有研制成果就要付之一炬。每一项考验都关乎任务的成败,兰晓辉和他的团队紧绷的心,似乎从未轻松过。


 
 

  难度最大的,还要数为适应总体对探测器设计要求,在发动机周围采取隔热的方式进行热防护,这对发动机自身冷却提出了极为严苛的要求,不仅要求推力室壁耐高温能力强,还要尽量让燃烧室降低温度,提高燃烧效率,这简直就是在悖论中寻求真理。兰晓辉果断提出创新冷却的方式,圆满解决了这一头疼难题,7500N变推力发动机在性能和冷却技术方面均达到国际先进水平。


 
 

  2011年6月至10月,7500N变推力发动机连续8台可靠性试车全部获得成功,单次长程试车达到4000秒以上。同时,探月着陆器地面悬停试验七战七捷,完美证明了7500N变推力发动机担当重任的能力。


 
 

  那段时间,兰晓辉穿梭在北京、西安两地,有时一张小小的火车票反倒成了大难题,碰上节假日高峰期,火车上站一夜是常有的事。看着身边如织赶着回家团聚的旅客,望着远方星星点点的万家灯火,兰晓辉的内心,还潜伏着一个重要的事业激励他前行,因为他清楚,变推力发动机,“干好了就是大热门!”


 
 

  轻盈落月完美首秀显举重若轻


 
 

  终于到了要交卷的时刻。


 
 

  嫦娥三号举国关注,万众瞩目,月球探测器从地月转移飞行,直到月球探测器到达月球表面4米左右关机软着陆,在这13天时间内,7500N变推力发动机俯仰调姿,制动变轨,时而“轻手轻脚”,时而“铆足马力”,时而又“凝神静思”,这一系列变换的“舞姿”,正是利用了发动机的深度推力可调的特点。兰晓辉和他的团队数年的艰辛,在此刻却显得无比轻盈。


 
 

  “这就像汽车的无级变速箱,该慢行的时候,要踩得住刹车,该加速的时候,就要一脚地板油”。兰晓辉生动形象地讲述发动机特点,自己也在戏谑中开怀大笑。


 
 

  探测器在飞行至距月球100公里高度需要被月球引力捕获,变推力发动机即要开始工作进行刹车制动。多个国家在探月初期在这个环节上出现纰漏,导致整个任务功亏一篑,因此掌握时间节点和发动机可靠工作十分关键。


 
 

  由于遥测数据传回控制大厅会有几秒的延迟,稍有失误探测器就已经飞离月球轨道。任务指挥部和专家组在制动前三小时按照即时速度和比冲大小决定制动方案,果断发出开机6分钟指令,然而指令发出了,从数据显示看,发动机却并未开机,这一切对善于用秒来判读数据的专家来说,就是“黑色时间”。


 
 

  “那时,真是捏着一把汗。”兰晓辉介绍说, “我们该想的都想到了,该做到的工作都做了,没有想到的、或者说经过评审论证再出问题,那也只可能是残余风险,但这几乎不可能!” 果然,几秒延迟时间一到,发动机开机点火的信号传到了大厅。


 
 

  诚如嫦娥三号月球探测器软着陆任务取得圆满成功,中国人实现了第一次在地外天体软着陆。7500N变推力发动机先后完成了动力下降、减速调姿、悬停避障、缓慢下降等软着陆任务,发动机“首秀”就一次成功,这在国际航天史上实属罕见。


 
 

  有媒体如此形容7500N变推力发动机的表现,既“推的精,飞的稳”,又“变的妙,落的准”。


 
 

  当探测器落在月球的一瞬间,测控大厅顷刻掌声一片,兰晓辉站起身来,伸了伸筋骨,一颗悬了数年的心,着实落了地。他可能不知道,在中央电视台的直播画面中,下方大字幕中已经打出了“嫦娥落月7500N变推力发动机功不可没”。


 
 

  推开家门航天专家疲惫又喜悦


 
 

  嫦娥三号任务在玉兔号月球车开始月面巡查中宣告圆满成功,兰晓辉拖着既喜悦又疲惫的身躯,终于可以回家了。从靶场检测开始,这趟差,他已经出了三个多月。


 
 

  巧合的是,参与靶场任务的前几天,他们家刚刚拿到新房钥匙,匆匆在毛坯房里看过一眼的他,就踏上了7500N变推力发动机首秀的旅程。


 
 

  这几个月,兰晓辉的爱人独自承担了新房装修、搬家的重任,这对一个家里的半边天来说,也真不容易。当兰晓辉推开新家的房门,幸福的喜悦一定会再次涌上他的心头。


 
 

  这几年,兰晓辉的女儿,也从十三四岁的小姑娘,已经成长为某重点高校三年级的大学生。谁敢说,兰晓辉在女儿身上,倾注了比发动机更多的心血?


 
 

  这几年,与兰晓辉说话最多的不是爱人和女儿,而是同事与专家;他吃饭最多的地方,不是客厅和厨房,而是试车台旁的路边小店;他睡觉最多的地方,不是家中的卧室,而是办公室和招待所。


 
 

  在兰晓辉看来,所有这一切,真的值了。(张平)


 

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