助力“三姑娘”輕盈落月的秘密

□ 秦川

2013年12月14日21時(shí)11分，嫦娥三號(hào)飛越38萬千米征程，在天宇劃出一條美麗的弧線后，輕盈地落在月面上。至此，中國成為繼美蘇后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸國家。

從一飛沖天到地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行，再到輕盈落月，嫦娥三號(hào)在7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)等組成的動(dòng)力系統(tǒng)的精準(zhǔn)支撐下，順利完成了“地月之旅”。

7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)首秀

12月14日20時(shí)30分，“嫦娥三號(hào)”在近月點(diǎn)高度約15千米、遠(yuǎn)月點(diǎn)高度約100千米的橢圓軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。北京航天飛行控制中心向其發(fā)送指令，嫦娥三號(hào)調(diào)整姿態(tài)，收攏太陽翼，做好降落準(zhǔn)備。

從15千米高度降至月球表面，這驚心動(dòng)魄的12分鐘被稱為“黑色12分鐘”。這期間，人工干預(yù)的可能性幾乎為零。

12月14日21時(shí)整，嫦娥三號(hào)從月面上方約15千米處開始實(shí)施動(dòng)力下降。3000米，2400米，2000米，1000米……在7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的反推作用下，嫦娥三號(hào)緩緩下降，距月面越來越近。100米，50米，20米，5米……在距離月面4米時(shí)，7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，嫦娥三號(hào)相對(duì)月面速度接近為零，穩(wěn)穩(wěn)懸停在月球上空。

“在月球表面能否實(shí)現(xiàn)軟著陸，是嫦娥三號(hào)任務(wù)關(guān)鍵中的關(guān)鍵，落月過程發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化很大，是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)研制的難點(diǎn)所在。”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)專家、中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院院長譚永華說。

2013年12月14日20時(shí)59分52秒，嫦娥三號(hào)月球探測器從高度15千米的近月點(diǎn)實(shí)施動(dòng)力下降，整個(gè)過程約720秒

為使嫦娥三號(hào)邁出親密接觸月球的第一步，中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院（簡稱“航天六院”）為其量身訂制了7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是我國首臺(tái)具備大范圍變推力工作能力的液體發(fā)動(dòng)機(jī)。

此次嫦娥三號(hào)任務(wù)，7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)是首次運(yùn)用于探測器上。7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)從地月轉(zhuǎn)移飛行即開始工作，完成兩次中途修正。轉(zhuǎn)入環(huán)月飛行后，嫦娥三號(hào)在距月面100千米高度進(jìn)行制動(dòng)。在近月15千米左右時(shí)，變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開始根據(jù)即時(shí)速度不斷調(diào)整推力指令執(zhí)行下降工作，15千米到2千米高度完成主減速和姿態(tài)調(diào)整，2千米到100米高度緩慢下降，探測器要在下降中隨時(shí)懸停，識(shí)別并避開大的月面障礙，100米到4米高度開始避開小的月面障礙，緩慢下降到4米后實(shí)施軟著陸。

嫦娥三號(hào)月球探測器落月過程

2013年12月1日下午5時(shí)，靜臥在勤務(wù)塔中的嫦娥三號(hào)

精心打造嫦娥三號(hào)動(dòng)力

位于西安航天基地的航天六院，是我國唯一集運(yùn)載火箭主動(dòng)力系統(tǒng)，軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)及空間飛行器推進(jìn)系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)為一體的專業(yè)研究院，幾年前，他們義無反顧地接過了嫦娥三號(hào)動(dòng)力系統(tǒng)的研制重任。

嫦娥三號(hào)此次月面軟著陸是在真空環(huán)境下進(jìn)行，不能利用大氣摩擦實(shí)現(xiàn)減速。只有研制變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，才能滿足探測器中途修正、近月制動(dòng)和動(dòng)力下降等。與嫦娥一號(hào)、二號(hào)相比，嫦娥三號(hào)推進(jìn)分系統(tǒng)是一個(gè)全新的動(dòng)力系統(tǒng)。它由1臺(tái)7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)和若干臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成。研制難度、技術(shù)與控制精度要求之高前所未有。

據(jù)介紹，動(dòng)力系統(tǒng)在以7500牛狀態(tài)工作時(shí)，7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)追求性能最優(yōu)；在1500?！?000牛工作時(shí)，要確保任意推力可調(diào)的絕對(duì)可靠。在探測器奔月過程中，7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)要經(jīng)過點(diǎn)火，為探測器校正軌道，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常工作；抵達(dá)近月點(diǎn)時(shí)再次點(diǎn)火，推動(dòng)探測器變軌，使其進(jìn)入環(huán)月軌道。

落月時(shí)，7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)，進(jìn)行變推力調(diào)節(jié)工作，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須靈活地調(diào)節(jié)動(dòng)力，讓探測器平穩(wěn)地落到月面，落月過程須自主完成不受地面控制，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)受的考驗(yàn)無疑是巨大的。

常規(guī)情況下，從論證設(shè)計(jì)到產(chǎn)品交付，研制一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)至少需要10年時(shí)間。7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)5年即交付，產(chǎn)品質(zhì)量如何保證？人們可以從一張質(zhì)量復(fù)查單中找到“蛛絲馬跡”：著陸器推進(jìn)分系統(tǒng)200多根導(dǎo)管、400多條焊縫管路、400多處螺釘連接部位，活接頭部位近100處……單從這些可精確追溯到每一個(gè)人的數(shù)字里，就能看出航天六院在管控質(zhì)量方面所下功夫之深。

7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)如何煉成

一般衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力只有490牛，神舟系列載人飛船發(fā)動(dòng)機(jī)的推力也只有2500牛，由此看出7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)與以往航天器上的發(fā)動(dòng)機(jī)相比絕對(duì)是個(gè)“大家伙”。

7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度不僅僅是推力的大幅增加，更大的難度是要突破大范圍變推力、高精度控制、高性能長壽命等關(guān)鍵技術(shù)。只有攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，才能為探測器中途修正、近月制動(dòng)、落月軟著陸等提供安全保障。其研制難度也是美俄等航天強(qiáng)國公認(rèn)的。

在多年的研制過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)就進(jìn)行了100多次，點(diǎn)火試驗(yàn)累計(jì)達(dá)到6萬多秒，就是為了發(fā)動(dòng)機(jī)在軌工作的1200秒不出任何問題。

研制7500牛發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了太多坎坷。首先的難關(guān)就是控制質(zhì)量。這么大推力，為了追求高性能，研制人員都希望能把發(fā)動(dòng)機(jī)噴管做得大些。然而受到質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸等條件限制，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行綜合優(yōu)化。由于探測器上有為完成落月動(dòng)作而設(shè)計(jì)的“四條腿”，即著陸緩沖系統(tǒng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)在探測器的下方，勢必要把“著陸腿”加長，而這樣，又容易帶來著陸不穩(wěn)等新問題。

其次，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，需要對(duì)外大量散熱。為了不影響探測器上儀器設(shè)備的正常工作，必須用隔熱屏隔熱，但這又會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性受到影響。因此，研制人員只能煞費(fèi)苦心地通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)改進(jìn)來一步步解決這一難題。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)推力室噴管采用特殊合金材料，內(nèi)、外涂高溫抗氧化劑涂層，壁身最薄處僅零點(diǎn)幾毫米。由于噴管為變壁厚、變型面的特型結(jié)構(gòu)，為了確保噴管型面的精確，采用了整體成型、整體加工的方式，堪稱科技與工藝的完美結(jié)合。

譚永華說：“探月工程繞、落、回三步走的任務(wù)，我們已經(jīng)完成了前兩項(xiàng)，如何保證中國的月球探測器能夠安全返回地球，我們正在對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)施研制攻關(guān)。不久的將來，我們還要實(shí)現(xiàn)載人登月的夢想，對(duì)航天六院人來說，更加任重道遠(yuǎn)?！?/p>