發(fā)動機(jī)之于火箭和航天器,就如同心臟之于人體。沒有發(fā)動機(jī)的力量,再先進(jìn)的火箭和航天器也無法問鼎太空。
航天科技集團(tuán)六院801所作為我國專門從事中小推力液體火箭發(fā)動機(jī)和空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制單位,各類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于載人航天、衛(wèi)星、導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭、深空探測等多個領(lǐng)域。
(資料圖片)
在我國載人航天工程中,801所承擔(dān)了載人飛船推進(jìn)系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間實驗室一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間站核心艙一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間站問天實驗艙和夢天實驗艙推進(jìn)系統(tǒng)等所有載人航天器推進(jìn)系統(tǒng)的研制任務(wù),圓滿完成了載人航天器全部發(fā)射飛行、交會對接、在軌補(bǔ)加任務(wù),為我國載人航天事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)。
從零起步,一定要趕超世界先進(jìn)水平
20世紀(jì)80年代后期,正當(dāng)801所陷入型號任務(wù)單一、研制任務(wù)嚴(yán)重不足的低谷而勉力維繼時,國家將載人航天領(lǐng)域列入“863”計劃,開始中國載人航天工程的論證工作。我國載人航天事業(yè)在“曙光號”擱淺近20年后迎來新的曙光,這也讓逆境中求生存的801所看到了一線轉(zhuǎn)機(jī)。
發(fā)展航天,動力先行。邁向更高更遠(yuǎn)更深的太空,離不開火箭運(yùn)載能力的提升,同樣離不開空間推進(jìn)動力的加持,否則,再先進(jìn)的航天器也只能是浩瀚宇宙中的一葉飄萍。而空間發(fā)動機(jī)正是801所的看家產(chǎn)品。所以當(dāng)“863”計劃提出載人航天研究課題后,801所既看到了發(fā)展機(jī)遇,機(jī)不可失,也感覺到了空間推進(jìn)動力在推動我國載人航天事業(yè)趕超世界先進(jìn)水平征程中的責(zé)無旁貸。
隨即,801所便開始著手收集資料,主動開展載人航天器推進(jìn)系統(tǒng)有關(guān)預(yù)研,并最終在我國載人航天工程立項時爭取到神舟飛船推進(jìn)分系統(tǒng)研制任務(wù)。正如當(dāng)時的老所長臧家亮所說,“盼星星,盼月亮,搞了一輩子航天,晚年能夠參加載人航天工程并負(fù)責(zé)飛船推進(jìn)分系統(tǒng)研制,這既是一種榮譽(yù),更是一種責(zé)任”。
載人航天是“上得去、待得住、回得來”的過程,前一個任務(wù)由火箭完成,后兩個任務(wù)則由飛船推進(jìn)分系統(tǒng)完成。所以推進(jìn)分系統(tǒng)是載人飛船最重要的分系統(tǒng)之一,負(fù)責(zé)飛船在軌飛行、返回艙再入過程和軌道艙留軌飛行各階段的姿態(tài)控制、穩(wěn)定、調(diào)整,以及變軌、軌道維持、返回制動、應(yīng)急救生全部動力功能,是飛船的動力之源,其可靠性、安全性直接關(guān)系到飛行任務(wù)成敗和航天員安全。
為此,801所為神舟飛船配置了52臺空間發(fā)動機(jī),最小的推力5牛,最大的推力2500牛。大大小小的發(fā)動機(jī)從不同方向提供不同推力,從而保證飛船在太空中俯仰有度、動靜自如。
作為飛船推進(jìn)分系統(tǒng)中推力最大的發(fā)動機(jī),2500牛發(fā)動機(jī)是飛船“待得住、回得來”的關(guān)鍵。它既要為飛船變軌提供動力,也要為飛船返回制動減速,還要在萬一遇險時為航天員提供救生逃逸保障,堪稱“關(guān)鍵中的關(guān)鍵”。
盡管有研制衛(wèi)星及運(yùn)載火箭姿軌控發(fā)動機(jī)的經(jīng)驗,但當(dāng)時801所研制過的發(fā)動機(jī)最大推力僅有490牛,2500牛發(fā)動機(jī)的推力一下子放大到5倍多,對發(fā)動機(jī)燃燒效率與穩(wěn)定性、冷卻設(shè)計等都提出了更高的要求。這也導(dǎo)致2500牛發(fā)動機(jī)在第一次地面試車時就發(fā)生了燃燒不穩(wěn)定而致使發(fā)動機(jī)被瞬時燒穿的情況。
801所研制隊伍頂住時間緊、難度大的壓力,分析故障,查閱資料,對發(fā)動機(jī)頭部工藝進(jìn)行改良,在之后的試車中成功驗證了改進(jìn)措施的可靠、有效,而設(shè)計的燃燒穩(wěn)定裝置也使得2500牛發(fā)動機(jī)成為國內(nèi)第一臺“動態(tài)穩(wěn)定”的空間發(fā)動機(jī),保證了載人飛船高可靠性和高安全性的特殊要求。
在軌補(bǔ)加,中國航天邁進(jìn)“空間站時代”
2017年4月27日19點(diǎn)07分,天舟一號貨運(yùn)飛船與天宮二號空間實驗室成功完成首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗。突破和掌握的推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù),填補(bǔ)了我國航天領(lǐng)域的空白,實現(xiàn)了空間推進(jìn)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)跨越,為我國空間站組裝建造和長期運(yùn)營掃清了動力能源供給上的障礙,使我國成為第二個獨(dú)立掌握并成功應(yīng)用這一關(guān)鍵技術(shù)的國家。而這背后是801所歷時十余年的完全獨(dú)立自主攻關(guān)。
所謂推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù),通俗地說,就是“太空加油”,即在太空中向在軌飛行的航天器添加推進(jìn)劑,從而延長航天器在軌飛行時間,突破航天器飛行壽命局限,是空間站建設(shè)和長期運(yùn)營的必備技術(shù)。此前,掌握這一技術(shù)的國家只有俄羅斯和美國,且只有俄羅斯實現(xiàn)了在軌加注應(yīng)用。自信的中國航天人堅持“太空加油技術(shù)一定要在自己手中實現(xiàn)”,用10年時間攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)。
要實現(xiàn)在軌補(bǔ)加功能,核心單機(jī)便是壓氣機(jī)。這也是研制難度最大的單機(jī),其作用是將推進(jìn)劑貯箱的增壓氣體回抽至氣瓶內(nèi),便于貯箱接受貨運(yùn)飛船的推進(jìn)劑,同時實現(xiàn)了增壓氣體工質(zhì)的循環(huán)利用。為此,壓氣機(jī)的壓縮比達(dá)到了100∶1以上。
在工程樣機(jī)研制階段,801所充分發(fā)揮仿真技術(shù)優(yōu)勢,建立了壓氣機(jī)整機(jī)系統(tǒng)模型,充分辨識了壓氣機(jī)多個技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn),對設(shè)計參數(shù)不斷仿真迭代優(yōu)化,確保設(shè)計源頭合理、正確。
研制過程中,一個個難題接踵而來,團(tuán)隊成員常常是黑白顛倒,作息規(guī)律完全被打亂。辦公室桌上成堆的圖紙資料、實驗室高分貝的噪聲、裝配間的臨時躺椅成了他們“最長情的陪伴”。
為滿足空間站長期在軌飛行要求,新研制的壓氣機(jī)必須滿足各項嚴(yán)苛性能測試,而每一次幾乎不間斷壽命試驗長達(dá)1000小時以上。801所研制團(tuán)隊連續(xù)奮戰(zhàn)40多天,全程監(jiān)測試驗機(jī)的工作狀態(tài),最終圓滿完成了壓氣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程研制工作。
“太空加油”得以實施的一個前提條件是,受加注方(空間站或空間實驗室)要具備可重復(fù)接受加注的能力。為此,801所研制了國內(nèi)最大的可補(bǔ)加金屬膜盒貯箱,內(nèi)設(shè)膜盒管理裝置,有效實現(xiàn)了氣液物理分離。貯箱可以像手風(fēng)琴風(fēng)箱一樣推拉往復(fù)運(yùn)動,這樣的補(bǔ)加裝置能接受上百次加注。此外,801所為天舟一號貨運(yùn)飛船首創(chuàng)了推進(jìn)與補(bǔ)加一體化推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計方案,實現(xiàn)了功能互補(bǔ)、推進(jìn)劑資源利用最大化。
在推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)研制中,801所首次提出了一體化貨運(yùn)飛船推進(jìn)系統(tǒng)方案,發(fā)明了“全油填充+自適應(yīng)補(bǔ)油”、不受失重環(huán)境影響的隔膜式壓氣機(jī),首創(chuàng)了電動式推進(jìn)劑液路浮動斷接器,為載人空間站工程奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這是確保載人航天工程“第三步”戰(zhàn)略順利實施的重要支撐技術(shù),對于實現(xiàn)航天人不懈追求的航天夢,具有十分深遠(yuǎn)的意義。
無毒推進(jìn),突破返回艙可復(fù)用重要技術(shù)
硝酸羥胺(HAN)基無毒單組元可貯存空間發(fā)動機(jī),具有推進(jìn)劑無毒、無污染、密度大、比沖高和系統(tǒng)易維護(hù)、可重復(fù)使用等突出優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今國際上空間姿軌控推進(jìn)系統(tǒng)的前沿研究方向,也是替代常規(guī)高毒性肼類推進(jìn)劑的主要途徑。
801所在新一代載人飛船返回艙推進(jìn)系統(tǒng)中創(chuàng)新性采用了HAN基無毒單組元推進(jìn)技術(shù)。這是實現(xiàn)返回艙可重復(fù)使用的重要技術(shù)之一,也是保障航天員身體健康的最佳推進(jìn)系統(tǒng)選擇。
早在上世紀(jì)90年代末研制神舟飛船返回艙時,為防止推進(jìn)劑泄漏對航天員的安全風(fēng)險,801所就曾經(jīng)提出采用無毒的HAN基發(fā)動機(jī)。然而,限于當(dāng)時HAN基發(fā)動機(jī)技術(shù)不成熟,這一方案被無奈放棄。
2014年5月,801所啟動新一代多用途載人飛船推進(jìn)系統(tǒng)項目論證工作,針對未來返回艙可重復(fù)使用的考慮,大膽提出了HAN基無毒單組元返回艙推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)方案。其中,400牛發(fā)動機(jī)因推力大,成為突出的關(guān)鍵技術(shù),同期國際上尚在研究的同類發(fā)動機(jī)最大推力也不超過200牛,所以面臨著研制難度大、技術(shù)新、周期短。
基于單組元液體火箭發(fā)動機(jī)、工程熱力學(xué)、化學(xué)工程、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等原理和方法,801所解決了十余項關(guān)鍵技術(shù)和工程難題,包括HAN基400牛發(fā)動機(jī)長壽命、高可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計,長時間熱管理,HAN基無毒推進(jìn)劑及其與耐高溫催化劑的匹配性等,完成從方案、設(shè)計原理樣機(jī)、工程樣機(jī)到型號產(chǎn)品的全流程、全周期研發(fā)。
HAN基無毒單組元400牛發(fā)動機(jī),是國際上首次針對飛船返回艙姿控動力無毒化而研制的發(fā)動機(jī),也是國際研制的最大推力的無毒單組元發(fā)動機(jī)。在研制過程中,801所攻克了HAN基發(fā)動機(jī)推力經(jīng)量級放大后穩(wěn)定工作這一國際難題,為HAN基發(fā)動機(jī)的型譜化研制奠定了良好技術(shù)基礎(chǔ),也將極大地推動我國各類航天器常規(guī)肼類高毒性單組元推進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)無毒化應(yīng)用進(jìn)程。
可以說,新型HAN基無毒發(fā)動機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念,引領(lǐng)了國際無毒空間發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展,為我國宇航動力技術(shù)創(chuàng)新和綜合效能提升發(fā)揮了重要作用,也彰顯了中國作為航天大國在國際社會中的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。
3個“首次”,為高科技自立自強(qiáng)再立新功
針對空間站在軌運(yùn)行15年以上的長壽命要求,801所創(chuàng)新性地在推進(jìn)劑補(bǔ)加自動控制、高效霍爾電推進(jìn)、在軌維修等領(lǐng)域為天和核心艙貢獻(xiàn)了3個“首次”。
首次實現(xiàn)推進(jìn)劑自主補(bǔ)加。推進(jìn)劑是空間站持續(xù)在軌運(yùn)行的基礎(chǔ)。為確保交會對接后貨船內(nèi)的推進(jìn)劑更加精準(zhǔn)地補(bǔ)加到核心艙內(nèi),801所首次提出了自主補(bǔ)加設(shè)計方案,研發(fā)了智能推進(jìn)管理器,編寫了300余條故障預(yù)案,并創(chuàng)新性地對補(bǔ)加流程進(jìn)行了模塊化設(shè)計,使整個補(bǔ)加過程不依靠地面指令干預(yù)或航天員輔助操作,即可自主完成,為空間站長期在軌運(yùn)行提供了有力保障。
首次使用霍爾電推進(jìn)發(fā)動機(jī),參與空間站姿軌控推進(jìn)功能。為補(bǔ)償空間站在軌運(yùn)行中受大氣阻力因素影響而軌道衰減,同時節(jié)省化學(xué)推進(jìn)劑的消耗,801所提出了使用高效霍爾電推進(jìn)技術(shù)方案,通過多輪方案設(shè)計和試驗驗證,最終為天和核心艙配備了4臺自主研發(fā)的霍爾電推進(jìn)發(fā)動機(jī)。這也是我國首次將電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用到載人航天器上。
801所于1994年在國內(nèi)率先開展霍爾電推進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用研究,研制了我國首臺霍爾推力器、首臺多模式霍爾推力器、首套霍爾電推進(jìn)系統(tǒng),實現(xiàn)了我國霍爾電推進(jìn)的首次空間飛行,使我國繼俄、美、歐空局之后第四個掌握霍爾電推進(jìn)技術(shù)。2020年,我國首款20千瓦大功率霍爾推力器成功完成點(diǎn)火試驗,實現(xiàn)了我國霍爾電推進(jìn)的推力從毫牛級向牛級的跨越。
首次為航天員設(shè)計了出艙更換維修電推進(jìn)設(shè)備的方案。電推進(jìn)工質(zhì)耗盡或霍爾推力器壽命終止后,可通過在軌更換維修來實現(xiàn)電推進(jìn)功能持續(xù)維持。801所團(tuán)隊結(jié)合實際需求和產(chǎn)品風(fēng)險評估,綜合考慮了航天員需求和產(chǎn)品工效學(xué),設(shè)計了推進(jìn)系統(tǒng)多種重要設(shè)備可由航天員出艙在軌更換維修的方案。
作為我國載人航天工程空間飛行器研制領(lǐng)域的重要力量,801所始終秉承“特別能吃苦,特別能戰(zhàn)斗,特別能攻關(guān),特別能奉獻(xiàn)”的載人航天精神,奮戰(zhàn)在我國載人航天領(lǐng)域推進(jìn)系統(tǒng)研制工作一線。
三十載櫛風(fēng)沐雨,三十載自主創(chuàng)新,三十載成果卓著,瞄準(zhǔn)載人航天技術(shù)前沿,801所勇于創(chuàng)新,自主突破和掌握了眾多載人航天關(guān)鍵技術(shù),獲得專利授權(quán)131項、省部級以上科學(xué)技術(shù)獎31項,助力中國載人航天事業(yè)不斷縮小與世界先進(jìn)水平的差距。向著星辰大海,為著美好未來,801所將繼續(xù)為載人航天工程提供有力的動力支撐,一步步揭開宇宙的神秘面紗,將夢想照進(jìn)現(xiàn)實。
標(biāo)簽: 載人航天 關(guān)鍵技術(shù) 載人飛船