月亮之上的科技嫦娥丨“探月”動(dòng)力從哪來(lái)？發(fā)動(dòng)機(jī)零件也能3D打印

嫦娥六號(hào)任務(wù)歷經(jīng)發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、落月、上升、交會(huì)對(duì)接以及返回等多個(gè)過(guò)程，帶回了人類(lèi)首份月背樣品。在這些過(guò)程中，超過(guò)一百臺(tái)航天發(fā)動(dòng)機(jī)不斷接力，一起來(lái)梳理一下這些發(fā)動(dòng)機(jī)。

嫦娥“探月”動(dòng)力從哪來(lái)？

嫦娥六號(hào)任務(wù)歷經(jīng)發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、落月、上升、交會(huì)對(duì)接以及返回等多個(gè)過(guò)程，帶回了人類(lèi)首份月背樣品。在這些過(guò)程中，超過(guò)一百臺(tái)航天發(fā)動(dòng)機(jī)不斷接力，一起來(lái)梳理一下這些發(fā)動(dòng)機(jī)。

嫦娥“探月”動(dòng)力從哪來(lái)？

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5月3日，嫦娥六號(hào)成功發(fā)射，在進(jìn)入太空的這2200多秒，主要由火箭來(lái)提供動(dòng)力。發(fā)射嫦娥六號(hào)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭上共有30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，它們一起助力，將嫦娥六號(hào)送到地月轉(zhuǎn)移軌道。

進(jìn)入預(yù)定軌道之后，誰(shuí)來(lái)提供動(dòng)力呢？這就都要靠安裝在嫦娥六號(hào)身上的77臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)了。這臺(tái)7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，在落月期間發(fā)揮了重要的作用。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 李建華：這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)就是探月工程的7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，下面這部分是噴管。這兩個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變推力。

這款7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)是為嫦娥三號(hào)著陸月球而研制的，是落月的關(guān)鍵設(shè)備，它在嫦娥三號(hào)任務(wù)之后還陸續(xù)幫助嫦娥四號(hào)、五號(hào)、六號(hào)實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸。

在嫦娥六號(hào)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(dòng)機(jī)發(fā)揮作用了。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 潘匡志：這個(gè)就是我們著上組合體的一個(gè)模型，我們的3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)就在上升器的中間的位置。

嫦娥六號(hào)任務(wù)非常復(fù)雜，既要落月探測(cè)，又要采樣返回，除了7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)，嫦娥六號(hào)上還有150牛、25牛、10牛等多種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，在姿態(tài)控制、交會(huì)對(duì)接等過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

如何造好嫦娥的“動(dòng)力之源”？

在這個(gè)生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)制造，過(guò)去人工至少要50小時(shí)制造的一個(gè)零件，現(xiàn)在用3D打印只需要10個(gè)小時(shí)。

在這個(gè)廠房中，近百臺(tái)金屬3D打印機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，晝夜不停地進(jìn)行著生產(chǎn)。從這里出廠的零部件，會(huì)被用于組裝成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)3D打印技術(shù)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)周期更短、制造工序簡(jiǎn)單、可靠性更高，并且還能節(jié)省大量的原材料。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 周亞雄：像這臺(tái)的話就是我們一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上的殼體，因?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)現(xiàn)在我們就用3D打印，就相當(dāng)于把它集成化設(shè)計(jì)，然后實(shí)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(dòng)機(jī)，60%以上的零部件都可以通過(guò)3D打印來(lái)生產(chǎn)，這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)研制效率大幅提高。此前發(fā)動(dòng)機(jī)很多零部件幾乎都是人工“搓”出來(lái)的“孤品”，有了新技術(shù)的加持，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸從“工藝品”轉(zhuǎn)型為“工業(yè)品”。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 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(shuō)，3D打印提升的是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)，那數(shù)字化的應(yīng)用就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制效率大幅提升的代表。

以前設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始全面采用三維模型，研制周期大幅縮短。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 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(jì)算，確保在物理世界上實(shí)現(xiàn)一次成功，支撐了更大推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 李斌：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心關(guān)鍵技術(shù)的一個(gè)代表，它也牽引了這些工業(yè)技術(shù)水平的提高?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)試車(chē)：提高效率 保證質(zhì)量

在西安抱龍峪的這個(gè)試車(chē)臺(tái)，記者看到，未來(lái)將用于我國(guó)可重復(fù)使用火箭的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，正在為試車(chē)做準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)升級(jí)改造，以前五天才能完成的一次試車(chē)，現(xiàn)在最快兩天就能完成。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 高強(qiáng)：為了完美地測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)正確的性能，首先試車(chē)臺(tái)肯定是不能掉鏈子，試車(chē)臺(tái)自身得絕對(duì)可靠。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)也被稱(chēng)為“不起飛的發(fā)射”，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交付火箭前都要在試車(chē)臺(tái)上點(diǎn)火試車(chē)，驗(yàn)證其性能。

近些年，中國(guó)航天逐漸進(jìn)入常態(tài)化高密度發(fā)射階段，火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量也逐年增大，到2025年要具備每年試驗(yàn)300臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，這對(duì)試車(chē)臺(tái)的考驗(yàn)非常大。那怎么才能提高試車(chē)臺(tái)的效率呢？

中國(guó)航天科技集團(tuán) 高強(qiáng)：這個(gè)廠房我們稱(chēng)為試驗(yàn)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(yàn)的準(zhǔn)備間里來(lái)完成。這個(gè)是我們給發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，它可以通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航的形式把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到我們?cè)囼?yàn)間，與我們?cè)囓?chē)臺(tái)架進(jìn)行一個(gè)對(duì)接。

有了新技術(shù)的加持，這個(gè)試車(chē)臺(tái)上最多可以有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)開(kāi)展工作，試車(chē)臺(tái)的利用率高了，試車(chē)效率自然也就提高了。

中國(guó)航天科技集團(tuán) 李斌：發(fā)動(dòng)機(jī)是我們航天發(fā)射的一個(gè)核心支撐，是一個(gè)基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)用途多

眼前這臺(tái)非常高大的裝置就是配備了“航天爐”的煤化工裝置?？梢酝ㄟ^(guò)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(lái)自火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司 趙峰：它是源于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(lái)精確的氧氣和氣化原料的控制。

聽(tīng)起來(lái)容易，干起來(lái)難。在第一臺(tái)“航天爐”誕生之前，這項(xiàng)技術(shù)一直被國(guó)外壟斷，很多企業(yè)要花幾十億甚至幾百億元去購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備，市場(chǎng)需求非常迫切。

既然市場(chǎng)需求這么迫切，那為什么沒(méi)人干呢？

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

航天長(zhǎng)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(jià)值利用起來(lái)。把煤必須吃透，才能進(jìn)行一對(duì)一的工業(yè)化設(shè)計(jì)。

截至目前，“航天爐”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了9大類(lèi)600多種的煤質(zhì)氣化特性數(shù)據(jù)庫(kù)和煤氣化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。像這樣一對(duì)一建設(shè)的工廠簽約氣化爐155臺(tái)，簽約總合同額已超200億元，拉動(dòng)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(guó)正在運(yùn)行的“航天爐”實(shí)時(shí)的狀態(tài)。

航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司 姜從斌：每一臺(tái)氣化爐大概有2000個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)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(guò)1萬(wàn)億，所以它必須開(kāi)發(fā)核心技術(shù)。未來(lái)可能還會(huì)進(jìn)入一些環(huán)保的領(lǐng)域，滿足我們未來(lái)的碳中和需要。

除此之外，火炬也可以借鑒火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和控制技術(shù)，2022年北京冬奧會(huì)手持火炬“飛揚(yáng)”以及能源化工行業(yè)中用于無(wú)毒無(wú)害氣體排放的工業(yè)火炬，就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)化而來(lái)的。目前，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)服務(wù)于國(guó)內(nèi)上百家企業(yè)，出口中東、非洲等“一帶一路”共建國(guó)家。