为“冰箭”造心 到底难在何处

　　时隔两年，长征五号运载火箭重出江湖，在全国人民关注的目光下，在海南文昌发射场腾跃九天，王者归来。这是值得全国人民举国欢庆的时刻，更是一个让六院人相拥而泣的时刻，历时两年半，让“冰箭”拥有更加完美的心脏，难于登天！

　　在长征五号火箭上，共有30台来自航天科技集团六院的四型发动机，分别是8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机，18台姿控发动机。

　　氢氧发动机 “极冻”条件“造芯”

　　氢氧发动机之于“胖五”，到底是怎样意义的存在呢？用一个简单的比喻，如果把常规火箭和“胖五”比作两辆车，在携带同样的行李行驶同样的路程时，前者自重需要1000吨，而后者自重只要约600吨。走相同的路，做相同的事，只需要原来一半的干粮，可见“胖五”的先进性所在。而为“胖五”减负增力，液氢液氧推进剂功不可没。

　　由此可想而知，“胖五”的有效载荷，也就是运载卫星的能力就明显增强了，约是现役火箭的三倍。

　　就像一把双刃剑，液氢液氧带来了高性能，但它们极低的温度也给研制人员带来了不小的烦恼。

　　试想一下，同样一种塑料，从南方运到北方，或者从春天用到冬天，在常温下使用体验都很好，而-30℃时塑料就变脆易碎，让人很是恼火。地域之间和季节之间，温差变化不过几十摄氏度，而液氢温度低至-253℃，什么材料能经受住如此“极冻”呢？对氢氧发动机的研制来说，寻求适合的制造材料，本身就是一个难点。而且氢易燃、易爆，液氢稀疏，高压下极易泄漏，一不留神就起火、爆炸。

　　再来说加工和装配。发动机零组件众多，在动态组件和静态组件之间存在一定的间隙，常温和低温下，随着组件材料的热胀冷缩，这些间隙也在发生变化。发动机在常温状态制造和装配，若低温间隙变大，零组件之间“哐里哐当”，振动和摩擦随之而来；若间隙变小动静组件抱得太死，又会影响发动机的正常工作。在设计制造之初，要给这些既不能太亲密也不能太疏远的零组件之间留好“三八线”，这就要靠设计师们深入了解各种材料的“脾气秉性”了。

　　液体推进剂在发动机燃烧室里燃烧，产生的燃气从发动机喷管高速喷出，其反作用力就能把火箭、卫星、飞船推向太空。速度越大，性能越大，发动机的推力就越大。但液氢本身密度很低，所以给液氢加压也很难。涡轮泵，就是给液氢加压的装置，它的转速必须提升到常规发动机的两倍以上，才能保证发动机的性能。

　　也正因如此，在低温高压高速大热流的严酷力热环境下，氢氧发动机一方面要经受-250℃的极严寒环境，另一方面又要经受3300℃的极酷暑环境，即经受着“冰火两重天”的巨大考验。

　　除此之外，轴承、燃烧不稳定性等多种问题也是研制中的难点。

　　问题的发生总是变幻莫测、时隐时现，近两年来，航天六院的设计师们针对超临界问题深究不放，又在不断的试验和考核中，捉到了隐藏更深的“魔鬼”。

　　就像高速转动的电风扇一样，从外表看，只能判断它是否正常吹风，现有的检测手段也只能看到叶片某一时间点的状态。但透过表面现象，研制队伍通过研制更先进的测量方法、分辨率更高的振动分析软件和试后产品检测方法，发现了一种诡异振动。这种振动给发动机可靠工作带来了巨大威胁。

　　通过采取有效措施，他们顺利消除了这种隐患，为确保飞行成功铲除了心腹大患。

　　液氧煤油发动机 细节之处有“看点”

　　地处天津滨海新区的长五火箭总装厂房负责装配的技术人员曾经这样介绍，以往常规火箭装配，细小的头发丝被称为多余物，而对冰箭“胖五”而言，装配人员在舱体呼出的二氧化碳都被视作多余物。如果不及时进行气体置换，二氧化碳会在低温状态下冻结成固态，成为看得见摸得着的多余物。

　　从这个侧面，足以见得，在“胖五”身上，每一个细节都值得深究。

　　从新一代运载火箭首飞以来，120吨级液氧煤油发动机在多次飞行中不断印证着高可靠性，本次“胖五”发射，该型发动机从细节入手，为实现火箭快准稳发射不断完善和提升。

　　很多人都在发射场或者电视机前观看过火箭发射的实况，都为火箭一飞冲天而鼓掌欢呼，但大家也许还未注意到火箭从转场到发射，有很多值得关注的“看点”。

　　在“胖五”发射时，作为助推发动机的8台120吨级液氧煤油发动机和芯一级动力的2台50吨级氢氧发动机几乎同时点火，橘色火焰从火箭尾部喷出，“胖五”身着夺目的“燕尾服”一跃而上，场面十分壮观。

　　其实，在120吨级发动机起动之前，还有一个非常关键的环节，这个环节被设计人员简称为“强吹”，就是在即将点火前向发动机燃烧室“强制”吹入高压氮气，这种氮气可以改善最先点火燃烧的组件的工作条件，让发动机点火时压力等关键参数稳步上升，实现点火瞬间的“快且柔”。

　　就像短跑运动员，在发令枪打响的一瞬间，能迅速冲出起跑线但不至于太过生硬而摔倒。这个“快且柔”发生在什么时候呢？用心的观众在电视画面中可要注意观察哦！

　　当“胖五”发射倒计时口令结束，下达“点火”指令时，最先看到的是芯一级发动机喷出火焰，同时，八个助推发动机点火，这时候，“强吹”就已经在起作用了。

　　火箭点火瞬间，会有一股巨大的白雾包裹箭体。这又是什么呢？这就是水雾，要知道，每台发动机点火瞬间，每秒会产生400公斤的燃气，箭体尾部燃气温度高达一千多度。这些水雾就是用于降温减噪的上千吨水，被高温燃气瞬间气化的结果。

　　如果没有事先开展的“强吹”，点火瞬间将更加猛烈和震撼，远没有我们在画面中看到的“力与柔”完美结合。

　　除此之外，不知大家是否发现，火箭转场时，发动机喷管口的红色防尘布罩也更加美观耐用了。“靶场无小事”，发动机暴露在外面的一个接管嘴也有了更美观的量身定制的保护工装。

　　这个保护工装结构简单，既可防止个子较高的工作人员从下面通过时碰到安全帽，又可化解会碰到接管嘴的潜在外力，杜绝了外部环境对产品造成的哪怕是一丁点的伤害。

　　这个简易的保护工装形似一种海南斗笠，设计灵感来自于设计师们在发射场备战期间的细心观察，也来自航天六院大后方生产试验单位的大力配合。每一项小细节小看点，都是大家集众智聚合力在一两天的时间里改进的。

　　“胖五”再征，应该帅气登场，细节之处，应该让关心中国航天的人们，都能看到更多赏心悦目的“看点”。

　　而这每一处细节，都体现着发动机研制人员的“工匠精神”。

　　辅助动力系统 低温下的“热血青年”

　　为“冰箭”特别定制的辅助动力系统包括了18台姿控发动机以及配套的气瓶、阀门、管路和贮箱。虽体量不及液氧煤油和氢氧发动机，但这套系统却是唯一涵盖增压气体装置、输送系统、推进剂贮存装置和推力室的独立、完整的动力系统。他们就装配在火箭二级氧箱尾部，负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。

　　什么叫沉底？要知道，太空中没有重力，火箭箱体中的液氢和液氧是以悬浮状态存在的。为了让液氢和液氧享受强大的“推背感”，使其贴合在火箭箱体底部，进而可靠实现膨胀循环氢氧发动机的二次起动，就需要被技术人员叫做“大沉底”“小沉底”的4台300N发动机和2台60N发动机来发挥作用。

　　再来说说姿态控制，就是火箭的俯仰、偏航和滚转，这就好比人在游泳时，上下浮沉、左右摆头和左右翻转这三个动作。前两个动作分别由4台300N发动机完成，滚转则由4台150N发动机完成。

　　在星箭分离前，负责沉底管理的4台300N发动机还会为火箭再次加速，让卫星与箭体分离时具备一个合适的初始速度，以便后续精准入轨。

　　从块头与重量来说这些发动机有多大，形象地说，300N、150N和60N发动机就分别像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小，成人用单手就用抓住。这些小小的发动机，工作时间累计2000秒，工作累计数百次，像一个个“热血青年”，为火箭飞行保驾护航。

　　然而，小而巧的它们，也承受着较为恶劣的工作环境。在火箭飞行时，有大发动机工作带来的强烈振动，有火箭级间分离时带来的冲击，还要承受液氢液氧的低温环境和膨胀循环发动机工作时的热流环境，开始是冰，接着是火，在寒冷和炙烤之下，这18个“热血青年”坚守岗位，发挥着不可磨灭的作用。

　　它们是如何练就十八般武艺的？得益于六院研制团队制定的严苛而全面的“训练计划”。就像孙悟空在台上老君的丹炉里炼就了火眼金睛，“热血青年们”不仅考核了-30℃环境下的推力室起动能力，还在推力室身部配备了射前加温装置以具备适合的初始壁温，并实施双电爆阀给气路增压加上“双保险”。

　　如此，才有了火箭精准细微的姿态变化。如果说液氧煤油发动机和氢氧发动机让“胖五”有了壮可练金刚拳铁砂掌的气魄，那辅助动力系统，就让“胖五”具备了柔可跳优雅小芭蕾的完美身姿。

　　“胖五”动力有多大，发动机研制任务就有多难，研制中面临的挑战就有多大。在西安，在北京，在上海，每一个液体动力团队都肩负着神圣的使命。各有各难，各出奇招。

　　最终，他们又带着精心雕琢的发动机产品，汇聚在海南文昌发射场，合力推举“胖五”升空。

　　何怡/文

　　何怡/编辑

　　张美书 张平/审核

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