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氢氧动力助推中国航天迈向更高更强更远

文章来源:中国航天科技集团有限公司  发布时间:2019-03-27

1月3日,嫦娥四号探测器首次在月球背面预选区域着陆,在人类历史上首次实现了月球背面软着陆,并在月球背面留下了中国航天的足迹。作为推举嫦娥四号的运载火箭,长三甲系列火箭在此次任务中功不可没,且因其高可靠性与成功率,享有“金牌火箭”之称。

作为长三甲系列火箭三子级动力的YF-75氢氧发动机,其研制工作主要由航天科技集团六院北京11所承担。从1986年发动机设计团队组建,到1994年火箭成功首飞,8年的时间里,发动机先后经历了方案、初试和试样三个阶段,倾注了无数科研工作者的心血。

迄今为止,YF-75发动机已参加97次飞行任务。2004年探月工程正式开展后,YF-75发动机更是在嫦娥系列任务中接连表现优异,为我国未来进一步空间开发和深空探测奠定了坚实基础。

氢氧是上面级发动机的最佳方案

长三甲系列火箭是我国目前的主力火箭,主要针对高轨、大载荷任务,其任务特点必然对上面级动力提出更高要求。

在YF-75发动机立项之初,就存在过这样的疑问:低温技术难度大,氢氧发动机使用维护费事,为什么一定要采用氢氧发动机作为长三甲系列火箭的上面级发动机呢?

氢氧推进剂具有高能量特性和无毒无污染等突出优势,是目前已知火箭化学推进剂组合中能量最高的。换句话说,相比其它化学推进剂组合,在同等加注规模下,氢氧组合的“百公里油耗更低”,火箭能跑得更远。

作为火箭末子级动力,可以说发动机性能高低直接决定了火箭的运载能力水平。此外,由于氢氧组合燃烧产物干净,发动机先天具备多次起动工作能力,这就极大增强了任务适应性。在嫦娥四号飞行过程中,YF-75发动机完成两次启动工作,从而准确将嫦娥四号探测器推送到目标轨道。YF-75发动机的独特优势为“金牌火箭”提供了动力。

“成功不代表成熟”,研制队伍不断进行技术改进与可靠性提升,陆续解决了多项技术难题。

吃透技术,YF-75发动机一直在前行的路上。

一切为了惊心动魄的1200秒

长三甲系列火箭的飞行过程中,YF-75发动机的飞行时间占了整个飞行时长的近80%,也就是1200余秒。发动机的每一分每一秒飞行都至关重要,扣人心弦。

“就如同搬家的过程,第一级发动机负责将货物装车,第二级发动机负责将货物搬送至家里,那第三级的工作就是将每件货物都摆放在相应的位置上,耗时长,且活儿精细。”YF-75发动机设计部副主任潘亮这样比喻。

在这1200余秒的过程中,发动机将经历工作、关机滑行、再次起动3个阶段,最终将嫦娥四号探测器送入LTO奔月轨道。

“搭载嫦娥四号的长三甲系列火箭虽然是成熟型号,但由于此发任务的特殊性,为保证任务圆满成功,从任务之初开始就采取了一系列措施,交付产品做到‘精挑细选、优中选优’,保证这惊心动魄、至关重要的1200秒的飞行。”YF-75发动机主任设计师崔强说。

嫦娥四号的发射窗口很短,如果出现问题,不能在既定窗口时间发射,则需要等待24小时后再次发射。针对低温加注后可能推迟24小时发射的需要,为了验证YF-75发动机泵前阀长时间浸泡在低温介质中的工作可靠性,摸索摇摆软管的长时间处于低温状态的摇摆可靠性,科研人员对YF-75发动机氢、氧泵前阀和摇摆软管开展了适应性验证试验。

除技术上的特殊性外,针对任务的重要性,YF-75发动机进一步增强了对嫦娥四号任务产品的保障和质量控制。

该所所长岳文龙在任务之初就特别强调,“型号队伍及全所相关人员,应以高度责任心面对嫦娥四号任务,以扎实有效的工作确保产品质量和发射任务的圆满完成。”

配套嫦娥四号任务火箭的YF-75发动机根据“择优选择配套产品”的相关要求,结合发动机研制进度,从零组件配套开始,优选出4台单机产品进行校准试车,再从4台单机中优选出2台单机组成双机,交付火箭总体。

此外,该所严格控制技术状态,分别对标2018年基线的技术状态、嫦娥三号的技术状态变化进行梳理分析。

同时,增加质量控制点,将原来由总装专业负责的验收会,升级为副总师、主任设计师及各专业均参加的验收评审会,对单机发动机提前进行质量把控,防范风险。

成熟技术、丰富经验,再加上相关“亮点”,嫦娥四号任务按计划取得圆满成功。在任务成功那一刻,长三甲系列副总师罗巧军总结道,“此发任务凝聚了全体发动机研制人员付出的巨大努力,优选产品,反复检查,真的是压力山大,所幸结果圆满,取得了成功。”

成功源自每一个“你”

罗巧军经常在每一发任务结束后,第一时间感谢团队的辛苦付出。嫦娥四号发射成功后,她更多了一份感慨:“走到今天这一步真的不容易。”

2018年YF-75发动机配套长三甲系列运载火箭完成14发飞行任务,平均20多天完成一发。经常是前一发任务在凌晨成功发射后,试验队员到机场乘坐早上10点的飞机返京,就能够刚好遇到从北京出发已经到达西昌青山机场的后一发试验队员,大家笑着打招呼,分享经验,分享喜悦。这样的更替,是任务,是使命,更是担当。

全年高密度的发射使西昌的一年四季不停有试验队员在那里忙碌着,西昌成了试验队员的第二个家。对于有些发射场队员来说,在西昌的时间更是占了全年时间的大半。“家人会有些想法,毕竟很多时候都照顾不到家里,但想着这事为国家作贡献,家人也和我们同样在坚持着,心里特别感谢与理解。”队员这样说道。

前方的西昌,忙忙碌碌,红红火火;后方的北京,也是充实丰富,不亦乐乎。每一发任务,他们都全力以赴,势在必得。从方案论证到详细设计出图,从产品加工到产品组装,从组件试验到整机试车再到试验场飞行,在各产品、系统的全生命周期里,相关人员秉持高质量原则,集智攻关,以专业态度为发动机提供可靠保障。虽然生产周期紧、任务多,工作头绪也较多,但是他们从来不放过任何细微的问题和环节。

“发动机研制是系统工程,要有螺丝钉精神,更要有通力协作的集体意志。”“成功可喜,更希望与同志们一起,为后续的成功保驾护航”,研制队员们这样说。

他们这样说,也这样做到了。2018年的14发长三甲系列火箭任务获得全胜,这是一个完美的收官,也是一个崭新的开始。

从1994年首飞至今,YF-75发动机已配套长三甲系列火箭飞行90余次。百次在即,团队自豪之余,更多的是希望YF-75发动机以更高的可靠性完成更多的圆满任务。

“嫦娥四号是一个里程碑式的任务,但我们清楚更加艰巨的任务和挑战还在前方。”所长岳文龙对未来有清醒的认识。每一位队员经历了高密度发射及特大任务的洗礼,不断挖掘着自身的潜力,能力得到了锤炼和升华。未来,他们将用实际行动,续写航天精神新篇章。