為火箭裝顆健康的“心”

□ 周成忠 段京燕

阿里安火箭HM-60發(fā)動機(jī)噴管總裝

俄羅斯火箭發(fā)動機(jī)總裝

液體火箭發(fā)動機(jī)是運(yùn)載火箭的“心臟”，它是一種通過液體推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)燃燒，形成高溫高壓燃?xì)?，產(chǎn)生反作用力，推動飛行器飛行的動力裝置。

發(fā)動機(jī)包括大大小小、各式各樣的零部件，這些零部件通常在一個工廠的不同車間或者在各個地方的不同工廠加工生產(chǎn)，然后由發(fā)動機(jī)總裝車間總裝而成。那么，這些零部件是怎么總裝到一起的呢？在解釋這個問題之前，讓我們先來看一看火箭發(fā)動機(jī)是由哪些主要零部件組成的。

從大的方面說，液體火箭發(fā)動機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中，推力室是推進(jìn)劑混合、燃燒并高速噴出燃?xì)猱a(chǎn)生推力的重要部件，由噴注器、燃燒室和噴管等組成；推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的作用將推進(jìn)劑從貯箱輸送到推力室，分為擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)和泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，包括閥門、導(dǎo)管、渦輪泵、高壓氣瓶等；發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)器、火藥啟動器、燃?xì)獍l(fā)生器、壓力開關(guān)、流量控制器和伺服機(jī)構(gòu)等，作用是完成啟動、點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，以及保持預(yù)定推力或可變推力、預(yù)定推進(jìn)劑混合比和流量，當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障或某種危險(xiǎn)情況時實(shí)施緊急關(guān)機(jī)。

三個系統(tǒng)的部件也是由許多零件裝配而成，裝配之前都經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，確認(rèn)合格后才裝配到一起；有些裝配后還要經(jīng)過嚴(yán)格的測試，直到符合設(shè)計(jì)要求，才能交付發(fā)動機(jī)總裝。例如渦輪泵的端面密封需要經(jīng)過光學(xué)檢查，并要在裝配后進(jìn)行氣密性檢查，以嚴(yán)防泄漏。泵上高速轉(zhuǎn)動的部件裝配后還須利用精確度極高的動平衡機(jī)進(jìn)行平衡檢查。當(dāng)發(fā)動機(jī)全部零部件齊套并且驗(yàn)收合格后，就可以進(jìn)行發(fā)動機(jī)總裝了。

總裝從三大部件開始

發(fā)動機(jī)縱橫交錯的導(dǎo)管

美國土星五號火箭J-2發(fā)動機(jī)上的噴管和氣瓶

發(fā)動機(jī)總裝、檢試是將發(fā)動機(jī)所屬零部件，按設(shè)計(jì)文件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件進(jìn)行裝配、調(diào)整、檢查和測試的過程，是一種以機(jī)械裝配為主，以焊接和其它工種為輔，并配有檢測的綜合性技術(shù)，主要包括機(jī)架、推力室、渦輪泵的對接，各類閥門、液路、氣路、電纜和控制設(shè)備的安裝，以及各項(xiàng)檢測與試驗(yàn)等。雖然它是發(fā)動機(jī)制造過程的最后階段，但由于直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的工作性能和可靠性，因此是發(fā)動機(jī)制造中一個至關(guān)重要的階段。總裝和檢測工作必須在潔凈、防塵并備有空調(diào)裝置的廠房內(nèi)進(jìn)行。廠房的環(huán)境溫度和濕度必須限制在一定范圍內(nèi)，以滿足防潮、防銹和防塵要求。

由于各系統(tǒng)的零部件在發(fā)動機(jī)上的空間位置相互交叉或重疊，因此用一般的藍(lán)圖很難表示清楚，所以它的總體結(jié)構(gòu)只能用安裝示意圖、外廓尺寸示意圖和樣機(jī)表示，并依此進(jìn)行總裝。因各系統(tǒng)零部件的連接面較多，所以經(jīng)常使用裝配測量臺和安裝定位夾具等工藝裝備來保證空間位置尺寸要求。各系統(tǒng)部件之間連接的基本形式有法蘭連接、螺紋連接和焊接三種。法蘭連接多用于直徑較大的管路系統(tǒng)，螺紋連接常用于直徑較小的導(dǎo)管連接，焊接則用于密封要求高、安裝后不分解的部位。

發(fā)動機(jī)上的零部件不僅種類多，而且數(shù)量大，可謂千頭萬緒，對此總裝應(yīng)該從哪里開始呢？由于各部件通常以機(jī)架、推力室和渦輪泵裝配后的組合體為支撐件，所以，發(fā)動機(jī)總裝一般是先進(jìn)行機(jī)架、推力室、渦輪泵三大部件的安裝、調(diào)整和測量，形成發(fā)動機(jī)的外廓尺寸，以及其它部件的支承和安裝測量基準(zhǔn)，然后再安裝其它各系統(tǒng)。

渦輪泵是火箭發(fā)動機(jī)最重要的部件之一，它是泵壓式發(fā)動機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。如果說發(fā)動機(jī)好比火箭的心臟，那么渦輪泵就如同心臟的心房。人的心臟通過心房的收縮，使血液流向心室；渦輪泵則通過高速轉(zhuǎn)動，使推進(jìn)劑增大到需要的壓力。

渦輪泵和機(jī)架的安裝、調(diào)整與測量通常采用裝配定位夾具。定位夾具由框架和定位法蘭盤組成。裝配時，將渦輪泵和定位夾具先后放在機(jī)架各自的安裝面上，然后調(diào)整渦輪泵位置，再后緊固。渦輪泵與機(jī)架或推力室的連接都采用螺栓連接。渦輪泵的支腿上設(shè)有長形安裝孔，機(jī)架或推力室上設(shè)有安裝平臺，兩者直接對接后用螺栓連接緊固。

機(jī)架、推力室、渦輪泵三大部件安裝、調(diào)整和測量后，接著要安裝閥門、管路系統(tǒng)和電纜系統(tǒng)。

密封，發(fā)動機(jī)總裝的基本要求

美國土星五號火箭發(fā)動機(jī)

美國土星五號火箭發(fā)動機(jī)

測試長三甲火箭

美國土星五號火箭F-1發(fā)動機(jī)總裝

F-1發(fā)動機(jī)總裝

F-1發(fā)動機(jī)總裝

發(fā)動機(jī)總裝過程中，每個零部件之間必須連接緊密，因此密封性成為衡量發(fā)動機(jī)總裝質(zhì)量的一項(xiàng)基本技術(shù)要求。雖然，每個連接部位的密封面已經(jīng)在零部件加工時達(dá)到技術(shù)要求，為總裝時保證密封性提供了基礎(chǔ)，但是總裝中常會出現(xiàn)一些意外，例如密封面有缺陷，像密封面劃傷、壓傷，密封球面不圓度超差和表面粗糙；柔性石墨纏繞墊、橡膠○形環(huán)、金屬○形環(huán)等密封件的壓緊變形量未達(dá)到要求；裝配連接面的軸向偏差、徑向偏差和偏斜偏差超過規(guī)定要求；擰緊力矩不合適或壓緊過程不符合技術(shù)要求，將密封件壓偏或壓緊量不均勻，或壓緊量過大，使密封件超出塑性變形后失去密封作用等。這些情況都可能直接影響發(fā)動機(jī)總裝的密封性。

為了做到更有效地密封，總裝時經(jīng)常采取一些技術(shù)措施，例如法蘭連接時采用金屬○形環(huán)密封，螺紋連接時使用球形接頭進(jìn)行密封。同時，在裝配時要求正確安裝與調(diào)整，以此保證總裝密封性。對于采用螺栓和螺母緊固的密封結(jié)構(gòu)來說，密封面越大，使用的螺栓螺母數(shù)量就越多。這時，擰緊螺母的順序就很有講究，一般采用十字對稱或間隔度90度或60度順序緊固法，并且逐步擰緊。另外，人工緊固螺母時，擰緊力矩不易準(zhǔn)確控制，經(jīng)常使得每個螺栓受力不均。為此，總裝中常采用力矩扳手，它的力矩指示表可準(zhǔn)確顯示擰緊力矩，使每個螺栓受力基本一致，從而使密封件各向均勻壓縮，克服因擰緊力不夠或不均導(dǎo)致的不密封現(xiàn)象。

發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作時，發(fā)動機(jī)高溫系統(tǒng)，包括推力室、渦輪泵啟動系統(tǒng)和渦輪燃?xì)饫孟到y(tǒng)將承受高溫考驗(yàn)，此時連接部位的密封性將受到直接影響，而它一旦出現(xiàn)問題必將導(dǎo)致飛行事故。為了在高溫下保持各種接頭的密封性，要對高溫系統(tǒng)的金屬○形環(huán)進(jìn)行高溫涂層和耐高溫膩?zhàn)犹幚怼?/p>

對于采用液氫液氧推進(jìn)劑的低溫發(fā)動機(jī)來說，外表面需要采取隔熱措施，即包敷隔熱防火層。這種隔熱防火層是隔熱層和防火層組成的隔熱結(jié)構(gòu)。隔熱層由低溫粘接劑緩沖層、泡沫塑料隔熱層和密封加固層組成；防火層由隔熱抗燒層和熱反射涂層組成。

檢測與總裝一樣重要

在發(fā)動機(jī)總裝過程中和總裝完成后，還需要認(rèn)真完成一項(xiàng)重要的操作，這就是發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)檢測。檢測是檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)總裝質(zhì)量和工作性能的重要手段，目的不僅是檢查總裝中各系統(tǒng)安裝的正確性和可靠性，還要檢查各系統(tǒng)的工作性能、配合關(guān)系以及綜合協(xié)調(diào)情況，另外檢測獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)還將成為發(fā)動機(jī)出廠時的質(zhì)量依據(jù)。

發(fā)動機(jī)密封性檢測是發(fā)動機(jī)檢測的一項(xiàng)重要內(nèi)容，用來鑒定總裝的密封接頭是否達(dá)到密封要求。由于不同發(fā)動機(jī)的密封性要求不同，進(jìn)行密封性檢測的時間也各不相同：采用可貯存推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)，一般是總裝后整機(jī)進(jìn)行；采用液氫液氧推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)，因系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，密封性檢測與裝配工序交叉進(jìn)行。

檢查總裝完成的F-1發(fā)動機(jī)

美國航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)總裝

檢測發(fā)動機(jī)密封性的主要做法是檢漏。檢漏的方法很多，發(fā)動機(jī)總裝時常應(yīng)用皂泡法和氦質(zhì)譜檢漏法兩種。發(fā)動機(jī)的一般系統(tǒng)或要求不高的部位通常使用皂泡法，它是一種簡便實(shí)用的方法，即當(dāng)受檢部件內(nèi)腔充入氣壓后，在其接頭表面涂抹中性肥皂液，如果出現(xiàn)肥皂泡則表明存在泄漏問題。低溫系統(tǒng)常使用氦質(zhì)譜檢漏法。氦質(zhì)譜檢漏裝置是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，由檢漏儀、吸嘴和金屬軟管組成。檢測時，先在受檢部件的容腔內(nèi)充入含有一定氦氣的混合氣體，然后使用吸嘴在密封接頭處檢測；如果出現(xiàn)泄漏，流出的氦氣會通過吸嘴進(jìn)入氦質(zhì)譜儀，并在儀表上顯示出泄漏率數(shù)值。采用這種方法，可以使發(fā)動機(jī)連接面的密封性檢測從定性達(dá)到定量。

檢測中，如果連接部位存在不密封現(xiàn)象，允許調(diào)整緊固件力矩，以調(diào)節(jié)密封面壓緊力大??；如果不起作用，必須更換密封件，并重新裝配、調(diào)整和試驗(yàn)。

除了密封性檢測外，還要進(jìn)行電纜導(dǎo)通和絕緣性能檢查、電動氣路試驗(yàn)和包括單元測試和綜合測試在內(nèi)的地面綜合模擬飛行試驗(yàn)等。所有總裝和檢測工作完成，并確認(rèn)完全滿足技術(shù)要求后，發(fā)動機(jī)才能交付出廠，去參加各類試車。

航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)總裝完成

航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)交付

長征火箭氫氧發(fā)動機(jī)總裝

長三甲火箭在發(fā)射中心進(jìn)行測試