月亮之上的科技嫦娥丨“探月”動力從哪來？發(fā)動機零件也能3D打印

嫦娥六號任務(wù)歷經(jīng)發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、落月、上升、交會對接以及返回等多個過程，帶回了人類首份月背樣品。在這些過程中，超過一百臺航天發(fā)動機不斷接力，一起來梳理一下這些發(fā)動機。

 

嫦娥“探月”動力從哪來？

 

 

5月3日，嫦娥六號成功發(fā)射，在進(jìn)入太空的這2200多秒，主要由火箭來提供動力。發(fā)射嫦娥六號的長征五號火箭上共有30臺發(fā)動機，它們一起助力，將嫦娥六號送到地月轉(zhuǎn)移軌道。

 

進(jìn)入預(yù)定軌道之后，誰來提供動力呢？這就都要靠安裝在嫦娥六號身上的77臺發(fā)動機了。這臺7500牛變推力發(fā)動機，在落月期間發(fā)揮了重要的作用。

 

中國航天科技集團 李建華：這個發(fā)動機就是探月工程的7500牛變推力發(fā)動機，下面這部分是噴管。這兩個主要零件裝配在噴管的上端，主要的作用就是控制推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室的量的大小，來實現(xiàn)發(fā)動機的可變推力。

 

 

這款7500牛變推力發(fā)動機是為嫦娥三號著陸月球而研制的，是落月的關(guān)鍵設(shè)備，它在嫦娥三號任務(wù)之后還陸續(xù)幫助嫦娥四號、五號、六號實現(xiàn)了月球軟著陸。

 

在嫦娥六號完成月面采樣后，裝有月背樣品的上升器需要從月球表面起飛，這就輪到另3000牛發(fā)動機發(fā)揮作用了。

 

 

中國航天科技集團 潘匡志：這個就是我們著上組合體的一個模型，我們的3000牛發(fā)動機就在上升器的中間的位置。

 

嫦娥六號任務(wù)非常復(fù)雜，既要落月探測，又要采樣返回，除了7500牛變推力發(fā)動機、3000牛發(fā)動機，嫦娥六號上還有150牛、25牛、10牛等多種類型的發(fā)動機，在姿態(tài)控制、交會對接等過程中發(fā)揮了重要作用。

 

如何造好嫦娥的“動力之源”？

 

在這個生產(chǎn)火箭發(fā)動機零部件的廠房，記者看到，這里所有零部件都采用3D打印技術(shù)來制造，過去人工至少要50小時制造的一個零件，現(xiàn)在用3D打印只需要10個小時。

 

 

在這個廠房中，近百臺金屬3D打印機根據(jù)發(fā)動機設(shè)計圖紙，晝夜不停地進(jìn)行著生產(chǎn)。從這里出廠的零部件，會被用于組裝成火箭發(fā)動機。通過3D打印技術(shù)，讓發(fā)動機的生產(chǎn)周期更短、制造工序簡單、可靠性更高，并且還能節(jié)省大量的原材料。

 

 

中國航天科技集團 周亞雄：像這臺的話就是我們一個發(fā)動機上的殼體，因為火箭發(fā)動機它適應(yīng)工況比較高，它既要承壓，又要保證它的使用的力學(xué)性能，所以說現(xiàn)在我們就用3D打印，就相當(dāng)于把它集成化設(shè)計，然后實現(xiàn)它的一體化成型。

 

記者在這里采訪發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在新研制的火箭發(fā)動機，60%以上的零部件都可以通過3D打印來生產(chǎn)，這樣使得發(fā)動機研制效率大幅提高。此前發(fā)動機很多零部件幾乎都是人工“搓”出來的“孤品”，有了新技術(shù)的加持，火箭發(fā)動機逐漸從“工藝品”轉(zhuǎn)型為“工業(yè)品”。

 

 

中國航天科技集團 張鵬：早期的鑄造的合格率受限于技術(shù)水平，只能達(dá)到30%左右。3D打印技術(shù)的研發(fā)和突破，現(xiàn)在合格率能達(dá)到95%以上。

 

如果說，3D打印提升的是火箭發(fā)動機的制造技術(shù)，那數(shù)字化的應(yīng)用就是火箭發(fā)動機研制效率大幅提升的代表。

 

 

以前設(shè)計發(fā)動機靠的是手繪圖紙或二維制圖，而隨著數(shù)字化水平的提高，現(xiàn)在發(fā)動機的設(shè)計已經(jīng)開始全面采用三維模型，研制周期大幅縮短。

 

 

中國航天科技集團 李程：采用這種數(shù)字化的手段以后，咱們產(chǎn)品的迭代速度是更快的，可以在數(shù)字化的世界里面進(jìn)行多輪次的仿真計算，確保在物理世界上實現(xiàn)一次成功，支撐了更大推力的液體火箭發(fā)動機的研制過程。

 

 

中國航天科技集團 李斌：火箭發(fā)動機作為核心關(guān)鍵技術(shù)的一個代表，它也牽引了這些工業(yè)技術(shù)水平的提高?；鸺l(fā)動機需求、配套的一些材料、制造工藝、設(shè)備，它水平也在提高。所以相輔相成，促進(jìn)了我們現(xiàn)在整體研制水平的提高。

 

火箭發(fā)動機試車：提高效率 保證質(zhì)量

 

在西安抱龍峪的這個試車臺，記者看到，未來將用于中國可重復(fù)使用火箭的一臺發(fā)動機，正在為試車做準(zhǔn)備。經(jīng)過升級改造，以前五天才能完成的一次試車，現(xiàn)在最快兩天就能完成。

 

中國航天科技集團 高強：為了完美地測試發(fā)動機正確的性能，首先試車臺肯定是不能掉鏈子，試車臺自身得絕對可靠。

 

 

火箭發(fā)動機試車也被稱為“不起飛的發(fā)射”，每臺發(fā)動機交付火箭前都要在試車臺上點火試車，驗證其性能。

 

近些年，中國航天逐漸進(jìn)入常態(tài)化高密度發(fā)射階段，火箭對發(fā)動機的需求量也逐年增大，到2025年要具備每年試驗300臺發(fā)動機的能力，這對試車臺的考驗非常大。那怎么才能提高試車臺的效率呢？

 

 

中國航天科技集團 高強：這個廠房我們稱為試驗的準(zhǔn)備間，顧名思義就是我們要把試前和試后等一些工作轉(zhuǎn)移到試驗的準(zhǔn)備間里來完成。這個是我們給發(fā)動機試驗所設(shè)計的一個發(fā)動機的轉(zhuǎn)運車，它可以通過自動導(dǎo)航的形式把發(fā)動機轉(zhuǎn)運到我們試驗間，與我們試車臺架進(jìn)行一個對接。

 

有了新技術(shù)的加持，這個試車臺上最多可以有4臺發(fā)動機同時開展工作，試車臺的利用率高了，試車效率自然也就提高了。

 

中國航天科技集團 李斌：發(fā)動機是我們航天發(fā)射的一個核心支撐，是一個基礎(chǔ)，發(fā)動機必須滿足總體的要求，這樣才能支撐航天健康快速發(fā)展。

 

生產(chǎn)化肥和衣服 火箭發(fā)動機技術(shù)用途多

 

眼前這臺非常高大的裝置就是配備了“航天爐”的煤化工裝置?？梢酝ㄟ^再處理合成甲醇、合成氨、煤制油等產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于紡織、化肥制造、化工等領(lǐng)域，而其中最關(guān)鍵的燃燒裝置就來自火箭發(fā)動機。

 

 

航天長征化學(xué)工程股份有限公司 趙峰：它是源于火箭發(fā)動機的燃燒、傳熱以及系統(tǒng)工程理論研制的航天粉煤加壓氣化技術(shù)，是航天液體火箭發(fā)動機技術(shù)的民用領(lǐng)域應(yīng)用。火箭是要充分燃燒，而這是一種欠氧燃燒，這就帶來精確的氧氣和氣化原料的控制。

 

聽起來容易，干起來難。在第一臺“航天爐”誕生之前，這項技術(shù)一直被國外壟斷，很多企業(yè)要花幾十億甚至幾百億元去購買國外的技術(shù)和設(shè)備，市場需求非常迫切。

 

 

既然市場需求這么迫切，那為什么沒人干呢？

 

趙峰告訴記者，中國的煤種類太多，要想干好“航天爐”這項技術(shù)，需要把每一種煤的氣化特性都研究出來，有一部分是不好用于燃燒的劣質(zhì)煤，既費時間，投入又大。

 

 

航天長征化學(xué)工程股份有限公司 趙峰：這種煤達(dá)不到燃料煤的要求，我們希望把它變成氣化原料，把它的價值利用起來。把煤必須吃透，才能進(jìn)行一對一的工業(yè)化設(shè)計。

 

 

截至目前，“航天爐”項目團隊已經(jīng)建立了9大類600多種的煤質(zhì)氣化特性數(shù)據(jù)庫和煤氣化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。像這樣一對一建設(shè)的工廠簽約氣化爐155臺，簽約總合同額已超200億元，拉動上下游產(chǎn)業(yè)投資超3000億元。在北京的遠(yuǎn)程服務(wù)中心，這里能看到全國正在運行的“航天爐”實時的狀態(tài)。

 

 

航天長征化學(xué)工程股份有限公司 姜從斌：每一臺氣化爐大概有2000個實時的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對新技術(shù)的研發(fā)非常寶貴。煤化工行業(yè)一年的GDP也是超過1萬億，所以它必須開發(fā)核心技術(shù)。未來可能還會進(jìn)入一些環(huán)保的領(lǐng)域，滿足我們未來的碳中和需要。

 

 

除此之外，火炬也可以借鑒火箭發(fā)動機的燃燒和控制技術(shù)，2022年北京冬奧會手持火炬“飛揚”以及能源化工行業(yè)中用于無毒無害氣體排放的工業(yè)火炬，就是火箭發(fā)動機技術(shù)轉(zhuǎn)化而來的。目前，這個技術(shù)已經(jīng)服務(wù)于國內(nèi)上百家企業(yè)，出口中東、非洲等“一帶一路”共建國家。

 

（總臺央視記者 崔霞 李寧 陶嘉樹 吳天白）