□ 秦川
2013年12月14日21時11分,嫦娥三號飛越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實現(xiàn)月面軟著陸國家。
從一飛沖天到地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行,再到輕盈落月,嫦娥三號在7500牛變推力發(fā)動機等組成的動力系統(tǒng)的精準支撐下,順利完成了“地月之旅”。
12月14日20時30分,“嫦娥三號”在近月點高度約15千米、遠月點高度約100千米的橢圓軌道上穩(wěn)定運行。北京航天飛行控制中心向其發(fā)送指令,嫦娥三號調(diào)整姿態(tài),收攏太陽翼,做好降落準備。
從15千米高度降至月球表面,這驚心動魄的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時整,嫦娥三號從月面上方約15千米處開始實施動力下降。3000米,2400米,2000米,1000米……在7500牛變推力發(fā)動機的反推作用下,嫦娥三號緩緩下降,距月面越來越近。100米,50米,20米,5米……在距離月面4米時,7500牛變推力發(fā)動機關(guān)機,嫦娥三號相對月面速度接近為零,穩(wěn)穩(wěn)懸停在月球上空。
“在月球表面能否實現(xiàn)軟著陸,是嫦娥三號任務(wù)關(guān)鍵中的關(guān)鍵,落月過程發(fā)動機推力變化很大,是整個動力系統(tǒng)研制的難點所在?!被鸺l(fā)動機專家、中國航天科技集團公司第六研究院院長譚永華說。
2013年12月14日20時59分52秒,嫦娥三號月球探測器從高度15千米的近月點實施動力下降,整個過程約720秒
為使嫦娥三號邁出親密接觸月球的第一步,中國航天科技集團公司第六研究院(簡稱“航天六院”)為其量身訂制了7500牛變推力發(fā)動機,這也是我國首臺具備大范圍變推力工作能力的液體發(fā)動機。
此次嫦娥三號任務(wù),7500牛發(fā)動機是首次運用于探測器上。7500牛變推力發(fā)動機從地月轉(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,嫦娥三號在距月面100千米高度進行制動。在近月15千米左右時,變推力發(fā)動機開始根據(jù)即時速度不斷調(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懸停,識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米后實施軟著陸。
嫦娥三號月球探測器落月過程
2013年12月1日下午5時,靜臥在勤務(wù)塔中的嫦娥三號
位于西安航天基地的航天六院,是我國唯一集運載火箭主動力系統(tǒng),軌姿控動力系統(tǒng)及空間飛行器推進系統(tǒng)研究、設(shè)計、生產(chǎn)、試驗為一體的專業(yè)研究院,幾年前,他們義無反顧地接過了嫦娥三號動力系統(tǒng)的研制重任。
嫦娥三號此次月面軟著陸是在真空環(huán)境下進行,不能利用大氣摩擦實現(xiàn)減速。只有研制變推力發(fā)動機,才能滿足探測器中途修正、近月制動和動力下降等。與嫦娥一號、二號相比,嫦娥三號推進分系統(tǒng)是一個全新的動力系統(tǒng)。它由1臺7500牛變推力發(fā)動機和若干臺姿控發(fā)動機組成。研制難度、技術(shù)與控制精度要求之高前所未有。
據(jù)介紹,動力系統(tǒng)在以7500牛狀態(tài)工作時,7500牛發(fā)動機追求性能最優(yōu);在1500?!?000牛工作時,要確保任意推力可調(diào)的絕對可靠。在探測器奔月過程中,7500牛發(fā)動機要經(jīng)過點火,為探測器校正軌道,驗證發(fā)動機能否正常工作;抵達近月點時再次點火,推動探測器變軌,使其進入環(huán)月軌道。
落月時,7500牛發(fā)動機根據(jù)預(yù)定設(shè)計,進行變推力調(diào)節(jié)工作,這就要求發(fā)動機必須靈活地調(diào)節(jié)動力,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)動機經(jīng)受的考驗無疑是巨大的。
常規(guī)情況下,從論證設(shè)計到產(chǎn)品交付,研制一種新型發(fā)動機至少需要10年時間。7500牛變推力發(fā)動機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。
一般衛(wèi)星的發(fā)動機最大推力只有490牛,神舟系列載人飛船發(fā)動機的推力也只有2500牛,由此看出7500牛發(fā)動機與以往航天器上的發(fā)動機相比絕對是個“大家伙”。
7500牛發(fā)動機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、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國公認的。
在多年的研制過程中,發(fā)動機的相關(guān)試驗就進行了100多次,點火試驗累計達到6萬多秒,就是為了發(fā)動機在軌工作的1200秒不出任何問題。
研制7500牛發(fā)動機經(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)動機噴管做得大些。然而受到質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸等條件限制,發(fā)動機設(shè)計上必須進行綜合優(yōu)化。由于探測器上有為完成落月動作而設(shè)計的“四條腿”,即著陸緩沖系統(tǒng)。如果發(fā)動機設(shè)計在探測器的下方,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)動機工作時,需要對外大量散熱。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,但這又會影響到發(fā)動機的散熱,使發(fā)動機的可靠性受到影響。因此,研制人員只能煞費苦心地通過優(yōu)化設(shè)計、試驗驗證、設(shè)計改進來一步步解決這一難題。
另外,發(fā)動機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,如何保證中國的月球探測器能夠安全返回地球,我們正在對動力系統(tǒng)實施研制攻關(guān)。不久的將來,我們還要實現(xiàn)載人登月的夢想,對航天六院人來說,更加任重道遠?!?/p>