2022年7月24日,下午2时22分,中国文昌航天发射场。
长征五号B遥三运载火箭准时点火,托举着“中国最重”航天器——约23吨的问天实验舱升空。约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道,中国空间站建造阶段关键一战完美收官。
长征五号B运载火箭,是专门为空间站建设打造的舱段运输“专属列车”,采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂,起飞重量约849吨,是我国目前近地轨道运载能力最大的新一代运载火箭,被誉为“中国最强”运载火箭,为其提供动力的正是我国液体火箭发动机的研制中心——位于西安的航天科技集团六院。
航天六院十一所空间站建设长征五号B和长征七号运载火箭发动机研制团队承担着我国新一代运载火箭发动机的研制工作,是我国唯一掌握高压补燃循环液氧煤油发动机核心技术的研发团队,代表我国高压补燃循环液体火箭主发动机技术的最高水平,成功引领我国液体火箭发动机技术迈入并达到国际先进水平。2022年,除长征五号B遥三运载火箭外,该研制团队成功完成了长征五号B遥四运载火箭、长征七号遥五和遥六运载火箭发射任务,将梦天实验舱和天舟四号、五号货运飞船送入太空,中国空间站建造任务完美收官。该研制团队2022年获评第十届“陕西好青年”集体。
破解难题,让发动机更强劲
“力箭”出鞘、“夸父”探日、“捷龙”首飞、“太空之家”遨游苍穹……新时代中国航天正在加速度发展。新一代运载火箭承担着我国载人航天工程、探月工程、火星探测等重大工程,而120吨级、18吨级高压补燃循环液氧煤油发动机是其主要动力装置,近几年中国空间站发射的长征五号B、长征七号运载火箭都使用了120吨级液氧煤油发动机。
现任航天六院十一所低温推进剂发动机总体研究室副主任,低温推进剂发动机总体副主任设计师、高级工程师的马楠主要从事高压补燃液氧煤油火箭发动机技术研究工作。在120吨级、18吨级液氧煤油发动机工程研制阶段以及可靠性增长试验阶段,他带领团队相继解决了发动机多边界条件可靠起动、关机后效精确、点火品质优化等技术难题,系统进行了可靠性增长研制总结及成果应用论证。
2019年以来,马楠负责开展两型液氧煤油发动机薄弱环节治理工作,组织全面梳理改进了多项薄弱环节。他表示:“随着我国航天事业蓬勃发展,运载火箭进入高密度发射阶段,未来对发动机的需求会更大,目前我们处在发动机批量化生产转型的阶段,要针对薄弱环节改进提升,优化研制流程,提高产能。”
从事工作十多年,马楠切身感受到,技术在飞速发展。仿真技术、3D打印、制造工艺等的快速发展极大地提高了发动机研制效率。120吨级液氧煤油高压补燃发动机于2000年国家立项,2012年验收,经历了十几年的时间趋于成熟。而由航天六院研制的500吨级液氧煤油发动机,也是我国目前在研推力最大的液体火箭发动机,在设计、生产、试验全流程中引入了数字化。2022年年底,首次整机试车取得圆满成功,从零开始到真正的第一次系统级的热试车仅用了约4年时间。
为了配合解决火箭发射中的问题,马楠工作中的许多时间要在发射场度过。2022年,他先后有4个月的时间都在文昌发射场,2021年则更多,有近10个月。
近日发布的《中国航天科技活动蓝皮书(2022年)》指出,中国航天活动将继续维持高位运行,呈现高密度常态化特点。2023年,我国计划实施近70次宇航发射,长征系列运载火箭累计发射次数将突破500次。如何做到高密度发射下的高成功率?火箭发动机研制团队用拼搏攻关给出了自己的答案。
梳理流程、完善操作规程和预案、进行发射演练,通过多次飞行,验证火箭、发动机的飞行可靠性……为保证发动机在任务执行过程中实现质量“零缺陷”,确保满足零窗口发射要求,进行重点工作梳理、产品质量再确认,以表格、报告、多媒体记录等多种形式实现靶场工作精细化、流程化。
长征五号B和长征七号运载火箭进行了多项优化改进,通过优化流程顺序、并行工作、合并测试等方法,长征五号B运载火箭的发射技术流程缩短了10天,长征七号的发射技术流程由32天缩减至26天。
为空间站建设提供坚强动力保障
在发动机的研制过程中,试车是一个非常关键的环节,不管是新研制的发动机还是准备交付的发动机,都要在试验台上点火来验证性能。
来自总装设计室的贾晨露是一名“90后”青年员工,主要负责亚轨道运载器主发动机动力系统试车、首飞及重复飞行的所有总装工作。作为总装设计,她的工作主要涵盖三个方面:发动机的总装布局、设计零组件,以及发动机生产过程中的验收。
“研制中的发动机在投入使用前要进行多轮的试车,相对成熟的发动机在交付前也要进行试车,确认装配的正确性和校准发动机的性能。”贾晨露说。
第一次到发射场执行任务的场景,贾晨露至今历历在目。2021年4月29日,长征五号B遥二运载火箭搭载着中国空间站首个舱段——天和核心舱,飞向太空,开启了空间站在轨组装建造的大幕。“大家都说这是当年最重要的发射任务,没有之一。很紧张,但我能做的就是做好自己的工作。”贾晨露说。经验丰富的总装设计师带着她去了解靶场工作,安装工作、前期准备、质量复查、协助测试,她尽一切可能去学习指导技术文件和靶场日志,厘清工作流程和工作要求。
液氧煤油发动机具有高性能、大推力、无毒无污染等优点。液体火箭发动机作为航天运载器的主要动力装置,功能全、性能高、技术难度大、研制周期长,液体火箭发动机的可重复使用技术,对可重复使用航天运载器至关重要。2022年9月,由航天六院十一所自主研制的某型液氧煤油发动机首次实现重复飞行试验验证,国内首次实现了液体火箭发动机的重复使用。
贾晨露在其中负责了发动机重复使用方案论证、试验策划等,提出了快速检测、短周期维护的技术方案,作为试验队长负责发动机重复飞行任务,完成了发射场工作协调、精细化操作落实、测试数据对比及质量复查等工作。
“不忘初心,严、慎、细、实。”随着工作年限和工作强度不断增加,贾晨露越发感受到这几个字的重量,“这是一份伟大光荣的工作,也是风险极高的工作,我不断提醒自己,把这句话落实在日常工作中,再认真一点,再细心一点。”
“一个零件出了问题,会导致整个发动机的失败,发动机工作异常,直接导致一个火箭发射任务的失败。”马楠说,“技术作风双过硬,默默耕耘肯攀登,这是我们研究团队不断传承的精神。航天事业的发展离不开年轻人,未来还有更艰巨的任务,青年员工的成长也是我们的工作重点。”
目前研制团队共有成员43名,35岁以下的年轻技术人员占比80%以上,研制团队充满着创新的血液。鼓励创新,利用先进的计算机仿真技术,开发发动机性能仿真计算软件等,大幅提升了发动机的研究水平,提出了许多创造性的方案,为发动机的研制拓宽了思路、开阔了视野,也促进了年轻技术人员的快速成长,为中国航天事业的发展提供了长足动力。(文-本刊记者 朱玉芳 通讯员 董继业)