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

新華社記者 付瑞霞

12月27日20時45分，長征五號遙三運載火箭在海南文昌發(fā)射場騰躍九天。其全部動力系統(tǒng)由總部位于西安的中國航天科技集團有限公司第六研究院提供。

在長征五號遙三運載火箭上，共有30臺來自航天六院的四型發(fā)動機，分別是8臺120噸級液氧煤油發(fā)動機、2臺50噸級氫氧發(fā)動機、2臺9噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機和18臺姿控發(fā)動機。

氫氧發(fā)動機：“極凍”條件“造芯”

被昵稱為“胖五”的長征五號運載火箭，還有一個特別的名字——“冰箭”，因為它的芯一級動力配備的是氫氧發(fā)動機，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，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，即運載衛(wèi)星的能力明顯增強。

為“胖五”減負(fù)增力，液氫液氧推進劑功不可沒，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）主推進發(fā)動機設(shè)計部主任鄭大勇說，氫氧發(fā)動機要經(jīng)受“冰火兩重天”的巨大考驗。液氫溫度可低至-253℃，而液氫和液氧燃燒時的溫度高達3300℃。

巨大的溫差對氫氧發(fā)動機的制造材料、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。

氫氧發(fā)動機的研制隊伍通過研制更先進的測量方法、分辨率更高的振動分析軟件和試后產(chǎn)品檢測方法，通過采取有效措施，有效消除了發(fā)動機的隱患。

液氧煤油發(fā)動機：細(xì)節(jié)之處有“看點”

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“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。如果不及時進行氣體置換，二氧化碳會在低溫狀態(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)動機研制人員的“工匠精神”。

在“胖五”發(fā)射時，作為助推發(fā)動機的8臺120噸級液氧煤油發(fā)動機和芯一級動力的2臺50噸級氫氧發(fā)動機幾乎同時點火，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，場面十分壯觀。

其實，在120噸級液氧煤油發(fā)動機起動之前，還有一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)被設(shè)計人員簡稱為“強吹”，就是在即將點火前向發(fā)動機燃燒室“強制”吹入高壓氮氣，這種氮氣可以改善最先點火燃燒的組件的工作條件，讓發(fā)動機點火時壓力等關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)步上升，實現(xiàn)點火瞬間的“快且柔”。就像短跑運動員，在發(fā)令槍打響的一瞬間，能迅速沖出起跑線但不至于太過生硬而摔倒。

輔助動力系統(tǒng)：低溫下的“熱血青年”

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

因為太空中沒有重力，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，進而可靠實現(xiàn)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機的二次起動，就需要被技術(shù)人員叫作“大沉底”“小沉底”的4臺300N發(fā)動機和2臺60N發(fā)動機來發(fā)揮作用。

姿態(tài)控制就是火箭的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)，前兩個動作分別由4臺300N發(fā)動機完成，滾轉(zhuǎn)則由4臺150N發(fā)動機完成。

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

這些發(fā)動機有多大，形象地說，300N、150N和60N發(fā)動機就分別像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，有大發(fā)動機工作帶來的強烈振動，有火箭級間分離時帶來的沖擊，還要承受液氫液氧的低溫環(huán)境和膨脹循環(huán)發(fā)動機工作時的熱流環(huán)境。

這些小小的發(fā)動機，工作時間累計2000秒，工作累計數(shù)百次，像一個個“熱血青年”，為火箭飛行保駕護航。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)計劃部部長王愿寧說，“胖五”動力有多大，發(fā)動機研制任務(wù)就有多難，研制中面臨的挑戰(zhàn)就有多大。每一個液體動力研制團隊各有各難，各出奇招。最終，他們又帶著精心雕琢的發(fā)動機產(chǎn)品，匯聚在海南文昌發(fā)射場，合力推舉“胖五”升空。