“鹊桥”天梯的“四宗最”

——中国航天科技集团六院长四丙火箭发动机研制纪实

2018年05月21日15:25  来源:人民网-科技频道
 

人民网北京5月21日电 在中国,每年的七月初七是一个让有情人最为欢喜的节日—七夕节,相传在每年的这个时候,数万只喜鹊积聚成桥,为遥遥相望的牛郎织女搭起相会之路,以解有情人相思之苦。而鹊桥,就像月老手中牵系婚姻的红线,因其承载的甜蜜和幸福,让人心生向往。

此时此刻,在黑暗的月球背面,一颗承载着中国人美好梦想的卫星正遨游在它的上空,它的名字也叫“鹊桥”。它的存在,为中国人的载人登月梦,架起了一座天地之桥、铺设了一条圆梦之路。

搭载“鹊桥”顺利入轨的长征四号丙火箭,其所有动力全部来自中国航天科技集团六院研制的液体火箭发动机。从2006年服役至今,长四丙火箭发动机的征战历程中,有着很多让人叹服的四宗“最”。

优中选优,史上“最挑战”

每一次发射都承担着历史的重任,嫦娥四号中继星,将为地球和嫦娥四号探测器之间的顺利通讯提供信号转接,发射成功与否,将直接影响嫦娥四号探测器的发射进程。本次发射,对两型发动机提出了更加苛刻的要求,中国航天科技集团明确提出,承担发射任务的发动机所有性能参数不仅必须在包络线范围内,更是必须处于包络线中值,真可谓“优中选优”。

以往卫星发射总是在太阳同步轨道运行,离地球的最远距离为2800多公里左右,而这次不同的是,“鹊桥”的最终目的地是位于距离地球40万公里的地月拉格郎日L2点。这样的发射要求,对上面级发动机的滑行和二次启动都带来了新的挑战,从以往的500秒滑行时间增加至800秒,二次启动时间也从原来的30秒左右增加至150秒左右。

同时,纵观长四丙火箭的历次飞行,均在太原和酒泉发射场进行,这一次,为了保障最大程度借助地球自转的惯性力,增大火箭发射时的飞行速度,特别将发射地点改到了西昌。

全新的工作条件、卫星轨道、发射地点,面对“三新”要求,该型发动机也迎来了最为严苛的挑战。

增点研制,史上“最迅速”

长四丙火箭的三级动力YF-40系列发动机,研制之初,就创造了我国常规液体推进剂主发动机高空二次启动的“第一”。此前,该型发动机一直采取西安设计、试验,沈阳生产制造的异地模式。2016年12月,为进一步提高产品的稳定及可靠性,该型发动机开始在六院西安地区增点制造。作为一台已经定型并长期参与飞行任务的发动机产品,增点制造,意味着必须快速具备生产能力。而事实上,从增点的前一个月,设计人员才刚刚启动并探索前期组件的生产条件,如此,生产基础更是无从谈起。

2017年6月,发动机即将参与首发飞行任务,仅半年时间,在一边研制一边交付的特殊时期,很多基于提升发动机可靠性的改进都呈现出“最迅速”。

据设计人员回忆,单单针对一次阀门响应动作慢的工艺改进,从发现薄弱环节、改进设计方案、开展组件试验、分析试验数据、制定考核目标、进行拉偏工况试验等一系列流程,到最后改进产品正式参加地面试验,只用了不到两周时间。而这两周,可想而知,对一个只有5人的设计团队而言,又意味着他们经历了多少个不眠与不休。

“成了!”当亲眼目睹地面试验成功时,即便身经百战,他们还是真切地感受到了攒紧的手心里,渗出的汗水和流动的热血激烈碰撞出的苦辣酸甜,而这,或许只有他们自己才能体会的人生百味。

2017年,增点制造的该型发动机成功参与两次飞行,2018年,更将承担7次重大飞行任务。

整机运输,史上“最折腾”

西安,中国航天科技集团六院7103厂,一台宽3.5米,高4.2米,长14米的庞然大车缓缓驰抵厂区,工作人员打开拖车后面的保护罩门,车体边沿,一枚小小的垫片正安静地躺在那里。从西安到宝鸡,一周内连续多次往返近3000公里,经历各种路况颠簸、紧急增减速、各种恶劣天气的行车状态,这枚垫片在最初的位置屹然不动。难道,垫片下面涂抹了强力胶水?

长四丙一级火箭,由四台推力为75吨的常规液体火箭发动机并联而成。最初,发动机从出厂交付火箭总体,采用的是铁路运输单机交付,单机经历近一周运输后,装配团队还须在总体单位将四台单机进行并联组装,既费时费力,车皮计划管理上也甚为不便。2013年,7103厂开始论证整机交付方案,即将发动机在工厂完成并联,再直接通过公路运输送抵总体。

四台常规发动机并联后直径3.5米、整体高达3.4米,如此硕大的动力系统,怎么实现公路运输?车体不仅容量要够大,车内固定设施、减震系统、恒温恒湿标准更要达标。再者,从西安到总体单位所在的北京、上海,公路里程多达3000多公里,一路车况复杂不说,天气状况更是未可知。每一次交付运输,路上都会遭遇些什么,会对并联状态的发动机造成哪些影响?所有的一切,都要通过公路实况模拟运输来探究。

这就出现了开始的一幕场景,垫片的滑落其实只是发动机装车时的一个小意外,然而,如此环境下,垫片还能在原处保持不动,不得不让人感到惊喜。安装在车内的震动监视仪显示,3000公里车程,车体震动量严格控制在1个重力加速度以内。要知道,极限车况和路况下,车内震动常常会高达10个重力加速度。工作人员高呼:我们的减震设施,真是给垫片抹上了强力胶水啊!

这样的实况模拟,在整机交付前,实施了多少次,大家早已算不清楚了。每一次模拟,发现新问题,再改进再模拟。从1:1工程样机,到地面试验的真机,再将经过模拟试验的四台真机进行地面热试车考核,方案论证历时数年。

2017年上半年,采用公路方式整机运输的常规发动机交付总体,正式应用在运载系列飞行任务中。产品运输时间从之前铁路运输的一周缩短为两天,产品随装随运,非常灵活机动。截止目前,采用该方案交付的发动机产品已经成功参与了30多次飞行任务,在长四系列火箭上也有多次成功应用。

箭体检验,史上“最憋屈”

伴随长四丙发动机的设计、生产、试验、交付、飞行全流程,质量管理是多个环节的重中之重。即便产品出了厂房,质量检验依然会像“保姆”那般,跟随着去到总体单位和发射场,确认发动机在与火箭合体,甚至是作为箭体的组成部分在塔架矗立时,产品装配所有环节的合理合规。直到发射的最后一刻,发动机在,检验在,因此,说这是“人机合一”,一点都不为过。

“下来啦?”这句话,是发射场质量检验听得最多的一句问候,而听到这句问候时,他们常常已经累得全身哆嗦,直不起腰来。

100多米高的发射塔架,火箭飞行前的“温馨港湾”,火箭与塔架的搭配堪称“型男组合”。无数次在镜头上凝视这对庞然大物,就已经让人望而生畏。然而,火箭内部,发动机火工品装配是否到位,与其他阀门、线路连接是否准确无误,还得检验说了算。

一级舱体,也就是一级发动机的所在地,四台发动机之间,密布着各种管道和线路,空间狭小,已经无法用完整的区域来形容。“这时候,恨不得自己是一汪水,随着里面曲折狭小的空间和缝隙流动起来,那我们干工作可就方便多了!”检验人员调侃道。

每次检验,舱体里艰难行动的唯一一名工作人员,要对长四丙火箭一二三级发动机的77个关键连接处进行一一排查,并逐个拍照留存。高难度姿势之下,头戴行灯,或嘴里含着电筒,一只手扶着关键标识,另一只手再操作相机。深蹲、浅蹲、斜蹲…各种姿势,唯一没有直立。在两级舱体行动时,箭体还会时不时出现晃动。试问,一个半小时下来,谁能不哆嗦?但换个思维想想,“最憋屈”也侧面说明了箭体“最苗条”,飞行质量“最有保障”。

发动机的研制生产,常常都是一群人的战斗;而到了发射场,一群人就常常化身为了肩负后方希望和重托的一个人。一位常年辗转在各大发射场的试验队员介绍说,他出差最大的乐趣,就是从箭体上收工后,找个没人的角落,在配乐之下,静静地独自朗诵一段自己喜欢的文字。

这样的画面,不禁让人浮想联翩,夕阳西下,孤影独吟,回味悠长,一首曲、几句诗,这就是六院人与发动机的“最浪漫”。(何怡) 

(责编:孙竞、熊旭)

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