長五YF-77，如何走出至暗時刻？

文 / 陳立 趙聰

▲ YF-77氫氧發(fā)動機(jī)試車

發(fā)動機(jī)是火箭的心臟，渦輪泵則是發(fā)動機(jī)的心臟。它通過高速轉(zhuǎn)動給來自貯箱的液氫和液氧增壓，繼而將燃料供應(yīng)到推力室，使之混合燃燒，產(chǎn)生巨大推力托起火箭飛行。

2018年4月16日，國家國防科工局發(fā)布消息稱，長征五號遙二火箭飛行失利故障原因基本查明，故障出自火箭的液氫液氧（YF-77）發(fā)動機(jī)，長征五號工程研制團(tuán)隊正在全面落實故障改進(jìn)措施。

長征五號火箭副總設(shè)計師王維彬曾把YF-77 發(fā)動機(jī)的故障歸零工作視為“在黑暗中探索”。誰也沒想到，黑夜會如此漫長……

“心像被撞了一下”

在航天人的記憶里，2017年7月2日的夜晚是以一種急速下墜的方式到來的。

那天晚上，長征五號火箭副總師王維彬的心情就像坐過山車，車最后栽倒在谷底。巨大的長征五號在塔架上靜靜矗立，媒體架起了攝像機(jī)，老百姓等候在電視機(jī)前。發(fā)動機(jī)點火，正常。點火170秒后，4個裝有液氧煤油發(fā)動機(jī)的助推器完成使命，成功分離；346秒時，發(fā)動機(jī)提前熄火，問題出在一臺芯一級上的YF-77發(fā)動機(jī)。王維彬感覺渾身麻木，“心像被撞了一下”。

正在北京家中的主推進(jìn)發(fā)動機(jī)設(shè)計部主任鄭大勇接到所里的電話，聽到的第一句話就是“發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沒有了”。

鄭大勇趕到單位。位于北京東高地的測控大廳里集結(jié)了一群人。他們?nèi)勘浑娫挕罢倩亍保瑖揭惶?，盯著屏幕看一級發(fā)動機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場鴉雀無聲。

多年來的經(jīng)驗與初步分析的結(jié)果基本吻合：火箭芯一級發(fā)動機(jī)問題比較大。但屏幕上的數(shù)據(jù)只能描繪出問題的大致輪廓，還不足以精準(zhǔn)地找到病根。

▲ 技術(shù)人員在緊張的工作中

發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障之后，長征五號火箭已經(jīng)偏離了軌道，墜入太平洋。沒有殘骸，就看不到病癥，也就無法用藥。與此同時，輿論很快通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)酵。甚至有網(wǎng)友評論：中國航天進(jìn)入至暗時刻。

當(dāng)時在北京家中收看發(fā)射直播的吳平，和身處海南文昌發(fā)射場的王維彬，至今回憶起那一晚都還會有些恍惚。吳平與王維彬結(jié)婚32年，也一起在北京11所工作了30多年，她了解王維彬，發(fā)射失利后并沒有立即聯(lián)系他?！拔椅ㄒ荒茏龅模褪堑?。”吳平說。

“失聯(lián)”幾天后，她等到王維彬發(fā)來的第一條信息——“馬上登機(jī)”。幾個小時后，王維彬落地北京再度“失聯(lián)”，直至半夜才推開家門。

“要做到故障復(fù)現(xiàn)，太難了”

從那天起，吳平在近兩年的時間里都處于“等待”中。王維彬經(jīng)常一早上出門，后半夜才回家。晚上12點如果人還沒回來，吳平就先睡了。盡管兩人同在所里上班，卻形同路人。

和王維彬一同進(jìn)入“歸零”作息時間的，有一大批YF-77液氫液氧發(fā)動機(jī)研制人員，還有火箭抓總研制單位中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的研制人員、火箭發(fā)動機(jī)抓總研制單位航天科技集團(tuán)六院的研制人員，以及我國知名院士專家……

長征五號遙二飛行失利，牽一發(fā)動全身，整個航天科技集團(tuán)乃至國家有關(guān)方面都開始痛定思痛，在全面反思中前行，在質(zhì)量整改中蓄勢，準(zhǔn)備下一次起飛。

對于當(dāng)事人來說，這次難度極大的歸零是在“先天不足”中開始的?；鸺龤埡〕寥肴f丈深海，研制人員掌握的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“想了很多辦法，盡可能地收集數(shù)據(jù)，也沒能精確定位故障，要做到故障復(fù)現(xiàn)，太難了?！蹦贻p的渦輪泵設(shè)計師黃克松回憶。從各級領(lǐng)導(dǎo)到各行專家，陸續(xù)登門北京11所，大家也只是把故障粗略鎖定在氧渦輪泵上。

液氫液氧發(fā)動機(jī)的渦輪泵，一頭是極低溫的泵，另一頭是高溫的渦輪，這讓它在發(fā)動機(jī)工作時的受力情況顯得尤為復(fù)雜。渦輪泵在高速轉(zhuǎn)動中負(fù)責(zé)動力傳輸，將熱能、動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。研制人員一開始是從工藝層面對渦輪泵進(jìn)行“加固”，黃克松解釋：“主要是一些局部改進(jìn)?！?/p>

▲ 等待發(fā)射 宿東攝

歸零進(jìn)展緩慢，很多人的關(guān)切詢問不時傳來，研制人員經(jīng)常只能報以沉默。家里的耄耋老人曾有一個多月沒見到王維彬。好不容易，王維彬有空回來吃飯，老人驚訝道：“你現(xiàn)在怎么身體跟我一樣差了？”

“難道是我們的設(shè)計方案先天不足？”

長征五號火箭總指揮王玨曾經(jīng)是航天科技集團(tuán)六院北京11所的老所長。王維彬大學(xué)畢業(yè)后來到這家單位，與發(fā)動機(jī)產(chǎn)品日夜相伴，后來跟著王玨一起參與到長征五號火箭的研制中。

從1995年應(yīng)用于大型運(yùn)載火箭的液氧煤油發(fā)動機(jī)和液氫液氧發(fā)動機(jī)正式進(jìn)入工程預(yù)研階段，到2016年長征五號首飛，中國的第一枚大火箭研制走過30年風(fēng)雨，一代人從青春年少熬成了白發(fā)叢生。

57歲的王維彬說，YF-77是我國首次研制的大推力液氫液氧發(fā)動機(jī)，瞄準(zhǔn)的目標(biāo)推力是當(dāng)時在役氫氧發(fā)動機(jī)的9倍，技術(shù)跨度大。這么多年我們克服了很多困難，有技術(shù)上的、人才上的、經(jīng)費上的、條件上的……事非親歷不知難，這是很多局外人所不能理解的。

渦輪泵，長征五號運(yùn)載火箭芯一級YF-77液氫液氧發(fā)動機(jī)上唯一高速旋轉(zhuǎn)的裝置。在最高900開爾文溫度（626.85攝氏度）的熱環(huán)境和極其復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境下，它會以每分鐘近2萬轉(zhuǎn)（約每秒333轉(zhuǎn)）的速度轉(zhuǎn)動。

在此之前，3臺YF-77發(fā)動機(jī)一共進(jìn)行了15次試車，均順利通過考核。這次它將在地面接受工況環(huán)境最為惡劣的一次“加試”，迎來500秒的長程試車。發(fā)動機(jī)研制方——北京11所的研制人員也在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。晝夜不分甚至讓人精神面貌出現(xiàn)“反?！闭髡椎募影酄顟B(tài)，已經(jīng)持續(xù)了一年多，大家希望這500秒是黎明前最后的黑暗。

試車開始沒多久，氧渦輪泵的局部結(jié)構(gòu)斷裂，“心臟”停止跳動。這是中國現(xiàn)役最大運(yùn)載火箭長征五號發(fā)射失利后，出現(xiàn)的首次發(fā)動機(jī)地面試車失敗。此時是2018年11月末，北京冬天已至。

從那一刻開始，YF-77發(fā)動機(jī)研制團(tuán)隊開始了第二次歸零，開展了一系列理論計算、試驗驗證等工作，同時發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)、交付、試驗與優(yōu)化工作并行，一切有條不紊。

大家認(rèn)為，這次故障定位應(yīng)該是找對了，就在氧渦輪泵的局部結(jié)構(gòu)上。

北京11所渦輪泵設(shè)計部主任金志磊解釋，發(fā)動機(jī)啟動后，一秒內(nèi)渦輪泵就可以達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，高溫高轉(zhuǎn)速下，“從裂縫到斷開就是眨眼間的事”，很快，渦輪泵軸部斷掉，發(fā)動機(jī)熄火。

有了這個認(rèn)識，第二次歸零按計劃進(jìn)行。一個周末，王維彬一反常態(tài)地對著吳平說：“咱倆去散個步吧，換換腦子?！蹦鞘锹L歸零開始以來，王維彬向妻子發(fā)出的第一個邀約。兩人繞著小區(qū)外的街道走了一圈。

第二次歸零于2019年4月告一段落。用設(shè)計師的話說，渦輪泵這次經(jīng)歷了“大改”。大家都充滿信心，勢在必得，長征五號遙三火箭的發(fā)射也被安排在2019年夏天。

改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了一輪試車，共3次，前兩次一切正常，又到了距離成功只有一步之遙的時刻。最后一次試車，氧渦輪泵還是出現(xiàn)裂紋，這讓王維彬、金志磊等人陷入崩潰。

4月4日，清明節(jié)前一天，晚上10點半，王維彬接到一個電話，報告說氧渦輪泵有故障征兆，有年輕設(shè)計師捕捉到了這個“異?！薄＿@好比換了一個更高倍率的放大鏡，讓原來看不到的隱患顯形了。

研制團(tuán)隊的第一反應(yīng)是不敢相信，眼前的希望化為巨大的失望，信心所剩無幾?！半y道是我們的設(shè)計方案先天不足？”挫敗讓設(shè)計師們開始懷疑一切，開始否定自我。

走出至暗時刻

▲ 長征五號遙三火箭發(fā)射瞬間

一個產(chǎn)品的研發(fā)方案，往往會有好幾個，在經(jīng)過反復(fù)論證后，優(yōu)中選優(yōu)，然后開始生產(chǎn)。連續(xù)的失敗，讓大家開始反思——對“何為最優(yōu)”的認(rèn)識，會不會發(fā)生改變呢？生產(chǎn)條件，力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境制約，等等，這些都一直在變，當(dāng)時認(rèn)為最好的方案，現(xiàn)在是不是會帶來一些新的問題呢？是繼續(xù)沿用之前的方案，還是換個方案？

問號在大家的大腦里堆積，壓迫著他們。金志磊也開始對最初的設(shè)計方案生疑——一個他曾引以為傲的方案也許并沒有考慮周全。

通常情況下，火箭發(fā)動機(jī)需要一個碩大的渦輪泵來向燃燒室內(nèi)壓入燃料，其重量通常要占到火箭發(fā)動機(jī)的一半以上。在滿足火箭總體方案的條件下，設(shè)計師給渦輪泵進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計——盡量把渦輪泵設(shè)計得又輕又小。

問題恰恰出在了這里?！盀榱俗非笮阅?，設(shè)計得太優(yōu)，可靠性反而降低了。”金志磊說。

同樣的YF-77發(fā)動機(jī)，同樣的渦輪泵，為什么長征五號火箭首飛前，發(fā)動機(jī)試車時長累計3萬秒，卻沒出現(xiàn)問題？黃克松等設(shè)計師的理解是：“這是一個很小概率的事件，但偏偏在遙二身上暴露?！痹谑Ю蟮那皟纱螝w零中，設(shè)計師延長了試車時間，加嚴(yán)了環(huán)境工況，問題再次暴露。

2019年4月第二次歸零鎩羽而歸時，長征五號箭在弦上，依舊不能發(fā)射。研制人員把發(fā)動機(jī)召回，仔細(xì)檢測。

金志磊表示，認(rèn)知邊界擴(kuò)展后，設(shè)計師決定用分體結(jié)構(gòu)替換原來的整體結(jié)構(gòu)，提高可靠性。

一型火箭發(fā)動機(jī)，從它出生起，便不斷累積試車時間。這個型號一共生產(chǎn)了多少臺發(fā)動機(jī)，每臺發(fā)動機(jī)經(jīng)過了多少時長的試車，全部累計形成一串?dāng)?shù)字，成為證明發(fā)動機(jī)性能的ID。就像軍人的肩章，一眼望過去，即知軍銜大小。

我國新一代運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)中，液氧煤油發(fā)動機(jī)地面試車時間累計超過7萬秒。國際上，美國SSME發(fā)動機(jī)首飛前試車超過了10萬秒。截至目前，YF-77發(fā)動機(jī)30余臺，地面試車時間累計5萬秒。

在火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，試車時長并非唯一的硬性考核標(biāo)準(zhǔn)。北京11所設(shè)計師給出了一個可靠性模型。這個模型將試車時長、試車次數(shù)、技術(shù)狀態(tài)、試車故障等多種因素考慮進(jìn)去，綜合計算出一個考核分值。YF-77發(fā)動機(jī)的考核分值達(dá)到97.5即可首飛。

與此同時，專家還認(rèn)為，未來在推進(jìn)YF-77發(fā)動機(jī)的“可靠性增長工程”時，地面長程試車絲毫不能打折扣。在徹底根除氧渦輪泵“病根”后，研制團(tuán)隊也希望把YF-77發(fā)動機(jī)ID上的數(shù)字拉得更長一些。

2019年7月，YF-77氫氧發(fā)動機(jī)進(jìn)行第三次歸零后的試車，一共考核了7臺發(fā)動機(jī)。其中，3臺為地面研究性發(fā)動機(jī)，2臺用于長征五號遙三火箭發(fā)射，還有2臺用于明年長征五號B遙一火箭發(fā)射。所有發(fā)動機(jī)均順利通過考核。9月，長征五號遙二火箭通過歸零評審。隨后長征五號遙三火箭劈波斬浪1670海里，12月27日箭起海之南。

發(fā)動機(jī)噴管吐出的火焰跳躍上升，黑夜被燒開了一個洞，大火箭飛出地球，一群航天人也走出了人生中的至暗時刻。