中國航天走出至暗時刻

陳立 趙聰

長征五號

中國航天一向秉承“質(zhì)量至上”的理念。在“進度”和“質(zhì)量”的天平上，一定是毫不猶豫地偏向后者。但從2017年7月2日長五遙二失利，到2019年12月27日長五遙三任務(wù)發(fā)射成功，908個日夜，對于長五研制團隊這支鋼鐵之師而言，究竟經(jīng)歷了什么？近日，發(fā)射失敗后的三次歸零內(nèi)幕曝光。

在中國航天60多年的發(fā)展史上，從未有這樣一枚火箭讓人如此關(guān)注、如此揪心。

有人說，它的成功，至少關(guān)系中國航天未來20年的發(fā)展。它就是我國目前運載能力最大的火箭——長征五號運載火箭。

然而曾經(jīng)，失利來得猝不及防。2017年7月2日，長征五號發(fā)射失敗。

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，長征五號工程研制團隊正在全面落實故障改進措施。

發(fā)動機是火箭的心臟，渦輪泵則是發(fā)動機的心臟。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。渦輪泵，正是長五遙二火箭歸零的“要害”。

渦輪泵，長征五號運載火箭芯一級YF-77液氫液氧發(fā)動機上唯一高速旋轉(zhuǎn)的裝置。很快，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)動機一共進行了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)動機研制方——北京11所的研制人員也在高負荷運轉(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)役最大運載火箭長征五號發(fā)射失利后，出現(xiàn)的首次發(fā)動機地面試車失敗。此時是2018年11月末，北京冬天已至。

長征五號火箭副總設(shè)計師王維彬曾把YF-77發(fā)動機的歸零工作視為“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”

2017年7月2日，黑夜以一種急速下墜的方式到來。

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，老百姓等候在電視機前。發(fā)動機點火，正常。點火170秒后，4個裝有液氧煤油發(fā)動機的助推器完成使命，成功分離;346秒時，發(fā)動機提前熄火，問題出在一臺芯一級上的YF-77發(fā)動機。

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發(fā)動機設(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?，圍到一處，盯著屏幕看一級發(fā)動機傳回的數(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，還不足以精準地找到病根。

發(fā)動機出現(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：中國航天進入至暗時刻。

當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”。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。王維彬早上一出門，經(jīng)常后半夜才回家。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。

和王維彬一同進入“歸零”作息時間的，有一大批YF-77液氫液氧發(fā)動機研制人員，還有火箭抓總研制單位航天科技集團一院的研制人員、火箭發(fā)動機抓總研制單位航天科技集團六院的研制人員，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，準備下一次起飛。

在六院，這是一場全員之戰(zhàn)?！氨仨毤褐Γ酃沧R，攻堅克難，排除故障，讓氫氧發(fā)動機滿血復(fù)活！”院長劉志讓向全院型號戰(zhàn)線發(fā)出院長責任令。

對于當事人來說，這次難度極大的歸零是在“先天不足”中開始的。火箭殘骸沉入萬丈深海，研制人員掌握的數(shù)據(jù)遠遠不夠。

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

歸零進展緩慢，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？”

“他們這些人，為長五耗盡了心血”

在歸零工作最緊張的時候，胡鵬的妻子商蕾也陷入了崩潰。那次胡鵬去了海南文昌，老父母沒在家，單位開展保密檢查，裝修師傅還讓商蕾上門看涂料。孩子晚上等不來媽媽，一連打了20多個電話。焦頭爛額的商蕾回家后，對兒子發(fā)了一通火。

胡鵬在型號處工作，倆人在單位見不著面，在家里也說不上幾句話。經(jīng)常是胡鵬接到一個電話，然后一口氣撥出幾個電話?！敖与娫捠怯腥蝿?wù)來了，撥出電話是立即執(zhí)行”，商蕾說有時候想跟丈夫聊聊天，但他已經(jīng)披上衣服準備出門了。

王維彬的血壓開始升高，嚴重的痛風讓他的雙腿失去了活力，一度只能一瘸一拐地挪向會議室。有時候趕上出差，他坐早上6點的航班離開北京，當天半夜又搭乘紅眼航班回來，吃點安眠藥，第二天出現(xiàn)在發(fā)動機試驗現(xiàn)場。

王維彬

YF-77 氫氧發(fā)動機試車

吳平憋不住了。

——“工作上的事我不過問，就希望你能多睡會兒?！?/p>

——“我也希望有陪伴?！?/p>

——“你怎么病沒好又跑走了，連自己都管不好！”

吳平語氣慢慢加重，面前這個在同事眼中溫文爾雅的安徽男人也開始生氣。

——“你不懂，你還是不能理解我?！?/p>

——“你就不能對我耐心一點？”

平時講話都客客氣氣的兩口子，爭吵了起來，攪動了平靜的生活。

偶爾在家里落腳時，王維彬也是沉默不語，一心思考歸零工作。長五遙二飛行失利是YF-77發(fā)動機研制人員心里的傷口，大家變得比過去敏感，尤其不希望傷口被觸碰，家人也不例外。

他們乃至整個六院的人心里清楚，這也是關(guān)乎中國航天未來的背水一戰(zhàn)，要讓各方放心，就必須“干掉”所有隱患。

“其實我就希望他能安穩(wěn)睡上一覺?！睔w零期間，吳平盡量不打擾王維彬，只想讓他擠出時間多睡一會兒。她最大的愿望是盼著退休后兩人能手牽手過上自己的生活。幾十年來，兩人還沒一起休假出去玩過。歸零開始后，家庭聚會和朋友聚會里也都少了王維彬的身影。

吳平說：“他們這些人，為長五耗盡了心血。”

“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)用于大型運載火箭的液氧煤油發(fā)動機和液氫液氧發(fā)動機正式進入工程預(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，瞄準的目標推力是當時在役氫氧發(fā)動機的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，這是很多局外人不能理解的。

2018年11月地面試車失敗后，YF-77發(fā)動機研制團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)動機啟動后，一秒內(nèi)渦輪泵就可以達到工作轉(zhuǎn)速，高溫高轉(zhuǎn)速下，“從裂縫到斷開就是眨眼間的事”，很快，渦輪泵局部結(jié)構(gòu)斷掉，發(fā)動機熄火。

有了這個認識，第二次歸零按計劃進行。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”，實際就是對其局部結(jié)構(gòu)進行了修改。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。

改進后的發(fā)動機進行了一輪試車，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“異常”。這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。

拉長發(fā)動機ID上的數(shù)字

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，當時認為最好的方案，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——一個他曾引以為傲的方案——生疑，“也許我們并沒有考慮周全”。

通常情況下，火箭發(fā)動機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，同樣的渦輪泵，為什么長征五號火箭首飛前，發(fā)動機試車時長累計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。”在失利后的前兩次歸零中，設(shè)計師延長了試車時間，加嚴了環(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)動機召回，仔細檢測。金志磊表示，認知邊界擴展后，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，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，每臺發(fā)動機經(jīng)過了多少時長的試車，全部累計形成一串數(shù)字，成為證明發(fā)動機性能的ID。就像軍人的肩章，一眼望過去，即知軍銜大小。

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

在火箭發(fā)動機領(lǐng)域，試車時長并非唯一的硬性考核標準。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去，綜合計算出一個考核分值。YF-77發(fā)動機的考核分值達到97.5即可首飛。

與此同時，專家還認為，未來在推進YF-77發(fā)動機的“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，研制團隊也希望把YF-77發(fā)動機ID上的數(shù)字拉得更長一些。

2019年7月，YF-77氫氧發(fā)動機進行第三次歸零后的試車，一共考核了7臺發(fā)動機。其中，3臺為地面研究性發(fā)動機，2臺用于長征五號遙三火箭發(fā)射，還有2臺用于2020年長征五號B遙一火箭發(fā)射。所有發(fā)動機均順利通過考核。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。

（曲靜薦自《中國航天報》）

王玨