揭秘嫦娥4号登陆月背关键装备：变推力发动机

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<article><section data-type="rtext">今年春节期间，被称为中国硬科技科幻大片的《流浪地球》热映。电影中太阳即将毁灭，人类在地球表面建造出1万多个巨大“行星发动机”，推动地球寻找新的家园。如同电影里展现的一样，“发动机”是人类探索太空的关键技术之一。推动地球移动的发动机，对于目前人类科技而言只能是“科幻”;但在前不久圆满完成的“嫦娥四号”工程任务中，美丽的嫦娥“四姑娘”代表地球上居住的75亿人类，第一次登上月球背面，却是我们这个时代太空技术发展高度的标志性成果之一。然而，又有谁知道，“四姑娘”这次人类历史上首次月背之旅，多亏她穿上了一双神奇的太空“舞鞋”——“嫦娥四号”变推力发动机。而变推力发动机的研制单位，就是位于西安的中国航天科技集团六院。■首席记者 杨斌鹄打造量身定制的太空“舞鞋”2018年12月8日，从长征三号乙运载火箭上脱离后，“嫦娥四号”便信心满满，开始了她的太空“曼舞”。她知道，此去征程路遥遥，长达42万公里。飞过漫长的旅途，“四姑娘”用一脚精准的“刹车”，成功被月球捕获，正式登上表演的“舞台”。动力下降、减速调姿、悬停避障……“嫦娥四号”穿上一双量身定制的“舞鞋”——7500N变推力发动机，时而“轻手轻脚”，时而“开足马力”……“四姑娘”在太空中一系列变换“舞姿”的动作，潇洒自如。
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 然而，鲜有人知道，这双量身定做的“舞鞋”出自中国航天科技集团六院变推力发动机研制团队成员之手。有媒体这样形容7500N变推力发动机的表现，既“推得精、飞得稳”，又“变得妙、落得准”。值得一提的是，这双“舞鞋”最早“穿”在嫦娥三号的“脚”上。“三姑娘”是我国第一个在月球表面实现软着陆的探测器。落月过程要求发动机具备深度节流能力，能够实现多种推力工况的快速变化。7500N变推力发动机的研制，正是为了圆“三姑娘”的“探月梦”。和“嫦娥三号”相比，“四姑娘”要实现世界上首次在月球背面着陆，环境更复杂，对发动机的要求也更严苛。“嫦娥四号”的这双“舞鞋”，不仅要更“漂亮”，性能也要实现新提高。而令“四姑娘”感到非常幸运的是，这一次穿在她脚上的这双舞鞋，真正地达到了要求：发动机外观涂层更美观，使用寿命更长;衡量发动机性能的指标——比冲，从原来的308秒提高到310秒。看似不起眼的涂层和2秒钟的差距，这背后体现了六院变推力研制团队精益求精的态度。在产品的质量复查单上，200多根导管、400多条焊缝管路、400多处螺钉连接都要做到精细化处理。为了让运动部件配合更加准确，研制团队将零件加工精度提高到0.005毫米。变推力发动机主任设计师兰晓辉依然记得，在一次对即将交付产品的电性能测试中，有一个电磁阀开启时间超出了设计要求的几毫秒。尽管交付在即，为了达到“满分”标准，团队成员还是将产品重新拆卸、查找问题根源，最终成功解决问题。而他们所做的这一切，只为让“嫦娥四号”能在险象环生、环境复杂的太空上演最美的“舞姿”，以最稳健的方式实现月背落月的目标。十余载艰难跋涉 攻克技术难关其实，这双“舞鞋”的研制之路，早在2006年已经开启。当时，“嫦娥三号”动力系统“最后一棒”的重任，落到了中国航天科技集团六院变推力发动机研制团队的手中。面对一无经验、二无材料的窘境，他们决定依靠自主创新，研发国产变推力发动机，解决“嫦娥三号”的动力问题。更为棘手的是，这双“舞鞋”要求5年内完成交付。而常规情况下，从论证设计到产品交付，研制一种新发动机至少需要10年时间。时间紧、任务重，研发团队的压力可想而知。接到7500N变推力发动机研制任务之前，兰晓辉多年从事运载火箭三级发动机二次启动研制工作。外人看来，高空发动机与变推力发动机有着多次启动、高工况工作的共同特点。但从专业角度来说，二者一个是固定推力、一个是变推力;结构设计方面，一个是固定部件、一个是活动部件，可谓天差地别。变推力发动机可行性研制论证任务，对兰晓辉及其团队而言是一道从未有过的难题。他们既面临着国内从未有任何变推力发动机研制经验、国外资料严重封锁无可借鉴的多种困难。变推力发动机研制，由于先天不足，从一开始就面临着山重水复疑无路的重重困难。而一旦不能在任务进度节点上攻克难关，还面临着研制立项化为泡影的威胁。在重重困难面前，兰晓辉带领研制团队艰难起步，以蚂蚁啃骨头的精神，挖掘现有的发动机基础理论和相关技术，确定发动机各项设计目标，对各个部组件进行多方案论证，理顺各个方案组合的可行性。发动机温度过高、性能低、推力室烧穿，都是家常便饭。为了解决接踵而来的难题，研制团队不断迸发出新的智慧，在产品改进的同时，开发了发动机性能仿真计算、热环境仿真试验等软件，加快了研制进度，不仅成功实现了研制立项，还节约了一笔不小的研制经费。2008年4月，600秒长时间变推力发动机可靠性试车的成功，标志着该发动机关键技术得到全面突破，转入工程研制。然而，新的难题又纷至沓来。难度最大的是应探测器设计要求，在发动机周围采取隔热的方式进行热防护。这对发动机自身冷却提出了极为严苛的要求，不仅要求推力室壁耐高温能力强，还要尽量让燃烧室降低温度，提高燃烧效率，两者几乎是悖论。兰晓辉带领团队提出了创新的冷却方式，使该发动机在性能和冷却技术方面均达到国际先进水平，圆满解决了这一难题。2011年底，当7500N变推力发动机连续8台可靠性试车全部获得成功，研制团队紧绷的神经，总算稍稍放松。然而，到了“首秀”的那一天，兰晓辉又紧张地“捏着一把汗”。探测器要在飞行至月球100公里高度时进行“紧急刹车”。然而，遥测数据传回地面飞控中心有数秒钟的延迟，一旦有任何失误，探测器就会飞离轨道。好在发动机开机点火的信号准时传回地面，“三姑娘”脚踏“舞鞋”，“舞步”精准又柔美。5年之后，美丽的“四姑娘”再次怀抱月球车，在天宇划出一道美妙的弧线。身姿婀娜曼妙，亮相仪态万方，让时刻关注“嫦娥四号”落月动态的六院研制团队喜极而泣。所有的艰难跋涉，在这一刻幻化成了幸福的泪水。</section></article>

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