新華社西安12月28日電 題:為“冰箭”造芯 到底難在何處——揭秘長(zhǎng)征五號(hào)遙三運(yùn)載火箭的動(dòng)力系統(tǒng)

新華社記者 付瑞霞

12月27日20時(shí)45分，長(zhǎng)征五號(hào)遙三運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場(chǎng)騰躍九天。其全部動(dòng)力系統(tǒng)由總部位于西安的中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院提供。

在長(zhǎng)征五號(hào)遙三運(yùn)載火箭上，共有30臺(tái)來自航天六院的四型發(fā)動(dòng)機(jī)，分別是8臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)9噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和18臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)：“極凍”條件“造芯”

被昵稱為“胖五”的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，還有一個(gè)特別的名字——“冰箭”，因?yàn)樗男疽患?jí)動(dòng)力配備的是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，以超低溫的液氫、液氧作為燃料。

如果把常規(guī)火箭和“胖五”比作兩輛車，在攜帶同樣的行李行駛同樣的路程時(shí)，前者自重需要1000噸，而后者自重只要約600噸。走相同的路，做相同的事，只需要原來一半的干糧。因此“胖五”的有效載荷，即運(yùn)載衛(wèi)星的能力明顯增強(qiáng)。

為“胖五”減負(fù)增力，液氫液氧推進(jìn)劑功不可沒，但它們極低的溫度也給研制人員帶來挑戰(zhàn)。

航天六院11所（京）主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部主任鄭大勇說，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)要經(jīng)受“冰火兩重天”的巨大考驗(yàn)。液氫溫度可低至-253℃，而液氫和液氧燃燒時(shí)的溫度高達(dá)3300℃。

巨大的溫差對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料、加工和裝配都提出更高要求。除此之外，軸承、燃燒不穩(wěn)定性、氧渦輪等多種問題也是研制中的難點(diǎn)。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制隊(duì)伍通過研制更先進(jìn)的測(cè)量方法、分辨率更高的振動(dòng)分析軟件和試后產(chǎn)品檢測(cè)方法，通過采取有效措施，有效消除了發(fā)動(dòng)機(jī)的隱患。

液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)：細(xì)節(jié)之處有“看點(diǎn)”

以往常規(guī)火箭裝配，細(xì)小的頭發(fā)絲被稱為多余物，而對(duì)“胖五”而言，裝配人員在艙體呼出的二氧化碳都被視作多余物。如果不及時(shí)進(jìn)行氣體置換，二氧化碳會(huì)在低溫狀態(tài)下凍結(jié)成固態(tài)，成為看得見摸得著的多余物。

從這一點(diǎn)足以見得，在“胖五”身上，每一處細(xì)節(jié)都值得深究，都體現(xiàn)著發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員的“工匠精神”。

在“胖五”發(fā)射時(shí)，作為助推發(fā)動(dòng)機(jī)的8臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和芯一級(jí)動(dòng)力的2臺(tái)50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎同時(shí)點(diǎn)火，橘色火焰從火箭尾部噴出，“胖五”身著奪目的“燕尾服”一躍而上，場(chǎng)面十分壯觀。

其實(shí)，在120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前，還有一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)被設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)稱為“強(qiáng)吹”，就是在即將點(diǎn)火前向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室“強(qiáng)制”吹入高壓氮?dú)?，這種氮?dú)饪梢愿纳谱钕赛c(diǎn)火燃燒的組件的工作條件，讓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)壓力等關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)步上升，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火瞬間的“快且柔”。就像短跑運(yùn)動(dòng)員，在發(fā)令槍打響的一瞬間，能迅速?zèng)_出起跑線但不至于太過生硬而摔倒。

輔助動(dòng)力系統(tǒng)：低溫下的“熱血青年”

為“胖五”特別定制的輔助動(dòng)力系統(tǒng)包括18臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)以及配套的氣瓶、閥門、管路和貯箱。它們就裝配在火箭二級(jí)氧箱尾部，負(fù)責(zé)火箭二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)滑行階段的推進(jìn)劑沉底管理、姿態(tài)控制和星箭分離前的末速修正。

因?yàn)樘罩袥]有重力，火箭箱體中的液氫和液氧是以懸浮狀態(tài)存在。為了讓液氫和液氧貼合在火箭箱體底部，進(jìn)而可靠實(shí)現(xiàn)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的二次起動(dòng)，就需要被技術(shù)人員叫作“大沉底”“小沉底”的4臺(tái)300N發(fā)動(dòng)機(jī)和2臺(tái)60N發(fā)動(dòng)機(jī)來發(fā)揮作用。

姿態(tài)控制就是火箭的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)，前兩個(gè)動(dòng)作分別由4臺(tái)300N發(fā)動(dòng)機(jī)完成，滾轉(zhuǎn)則由4臺(tái)150N發(fā)動(dòng)機(jī)完成。

在星箭分離前，負(fù)責(zé)沉底管理的4臺(tái)300N發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)為火箭再次加速，讓衛(wèi)星與箭體分離時(shí)具備一個(gè)合適的初始速度，以便后續(xù)精準(zhǔn)入軌。

這些發(fā)動(dòng)機(jī)有多大，形象地說，300N、150N和60N發(fā)動(dòng)機(jī)就分別像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小，成人用單手就能抓住。小而巧的它們，也承受著嚴(yán)苛的工作環(huán)境。在火箭飛行時(shí)，有大發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的強(qiáng)烈振動(dòng)，有火箭級(jí)間分離時(shí)帶來的沖擊，還要承受液氫液氧的低溫環(huán)境和膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的熱流環(huán)境。

這些小小的發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)間累計(jì)2000秒，工作累計(jì)數(shù)百次，像一個(gè)個(gè)“熱血青年”，為火箭飛行保駕護(hù)航。如此，才有了火箭精準(zhǔn)細(xì)微的姿態(tài)變化。

航天六院科研生產(chǎn)計(jì)劃部部長(zhǎng)王愿寧說，“胖五”動(dòng)力有多大，發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù)就有多難，研制中面臨的挑戰(zhàn)就有多大。每一個(gè)液體動(dòng)力研制團(tuán)隊(duì)各有各難，各出奇招。最終，他們又帶著精心雕琢的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，匯聚在海南文昌發(fā)射場(chǎng)，合力推舉“胖五”升空。