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聚焦长征火箭的推进分系统

http://www.sina.com.cn 2003年10月15日13:10 中国航天报

  □本报特约记者 游本凤

  对神舟号飞船来说,推进分系统的工作正常与否,是牵一发而动全身的系统。这一系统从项目论证、预先研究、设计、研制,直到飞船上应用,经历了一个十分艰难曲折的历程。

  白纸画出推进蓝图

  推进分系统是载人飞船上的关键分系统之一,是飞船的动力之源。箭船分离后,飞船要准确进入300多公里高的低轨道,其推进的动力就是来自于推进分系统。飞船返回进入大气层时,对飞船进行“刹车”所需的反作用力,其动力也是来自于推进分系统。这个复杂的系统的攻关者,是上海航天技术研究院801所。

  过去我国虽然搞过返回式卫星,其返回回收基本上都获得了成功。但飞船的回收技术肯定要比返回式卫星复杂得多。一是返回式卫星采取的是硬着陆方式,而飞船是软着陆方式;二是返回式卫星是单体结构,自身重量也相对较轻,而飞船由推进舱、返回舱和轨道舱组成,自身重量是返回式卫星的好几倍,这就对推进分系统的推力要求更高了。再有,其推进分系统存在于上述三个舱体之中,大大小小发动机之多,管路之复杂,控制阀门工作之频繁,这在我国所有空间飞行器中还是从来没有过的;三是因为飞船进行的是载人航天飞行活动,其涉及的范围和考虑的方方面面因素很多,因而对推进分系统的要求几乎是苛刻的。

  其关键技术主要有三项:一是解决大推力轨控发动机的难题;二是解决金属膜片式贮箱的难题;三是建一座模拟42公里高空的姿轨控发动机热试车台。可以说,上述几项技术难题在国内几乎都是空白,需要他们从头摸索干起来。

  在航天业内有这样一句行话,叫“航天型号,动力先行”。没有动力,火箭升不了天,飞船入不了轨。而2500牛这一轨控发动机对飞船来说是必须的,没有它,飞船的研制无从谈起;而当时最大推力的轨控发动机只有490牛,两者相差5倍多。

  它的关键难度在于其推力大,而又必须多次启动。由于推力大,里面装填的液体推进剂多,而液体燃料推进剂在火箭发动机中的喷雾、雾化和组织稳定燃烧方面的技术难点很多,既要做到充分燃烧产生高温,又要兼顾发动机材料性能的优化设计,这些技术在当时国内都是空白。该所的技术人员经过刻苦钻研,终于拿出了第一台2500牛发动机,当大家兴致勃勃地进行热试车时,由于产生了不稳定燃烧现象,导致了发动机的头部受损,首次试验遇到了挫折。经查,这次失利主要是由于设计方面的问题。801所重新组织科技人员进行攻关,仅仅用了20多天,又拿出了新的设计方案,对发动机的头部进行了技术改进。改进后的发动机经热试车获得了圆满成功

  对第二大难题金属膜贮箱来说,由于飞船推进舱姿轨控液体火箭发动机采用的是双组元(氧化剂+燃料)推进剂,这种推进剂贮箱必须采用金属膜片式贮箱。该贮箱的技术难度很大。首先是要解决双组元氧化剂的强腐蚀性问题。第二要解决推进剂在贮箱内的晃动问题。因为飞船在太空中运行时航天员要做各种各样的试验,这就要求飞船在轨运行期间必须始终保持舱体的稳定性。要稳定,就不能让推进剂在贮箱内晃动。这不仅要在贮箱内加压,而且其压紧材料必须具备耐腐蚀和承受较大压力两种特性,还要兼有橡胶膜胶囊一定的“软劲”。经过科技人员多次反复比较试验,终于找到一种具有“软硬兼施”、又有良好抗氧化剂腐蚀功能的金属材料。研制过程中,他们还得到了兄弟单位的大力支持。在两家单位的共同努力下,最终攻克了这一重大技术难关,并填补了国内大型金属膜片贮箱技术的空白。

  第三大难题是建立模拟高空热试车台。在上海郊区松江区佘山境内,有一个叫402的试验站,是该所专门设立在这里进行发动机试验的场地。早些年该所搞液体发动机时,他们曾利用这里简陋的设施进行过导弹和火箭发动机的热试车试验。而当该所承接到飞船推进分系统任务后,要在这里建设一座现代化的模拟高空发动机热试车站已经是刻不容缓的事了。

  根据建设方案要求,要在这里建立一座包括模拟42公里全系统高空试车台和一座76公里长程低真空高空试车台。这次飞船推进分系统上用的大大小小的发动机共有50多台,不仅数量多,而且品种规格繁多,试验的要求也不同,再加上试车台都是一些非标设备,国内至今还没有一家设计制造单位,使得建站的难度更大。在这种情况下,402站的科技人员只能自己动手。他们在上级的支持下,先后派出科技人员考察了俄罗斯、法国、德国、美国等航天方面的试车台,搜集了有关资料,同时他们还对国内的有关单位也进行了考察和调研,以期能找到最佳设计方案,争取设计出国内最先进的试车台和测控系统。

  两座高空试车台终于建起来了,达到了国内一流的先进技术水平,并及时投入使用,为飞船三个舱发动机系统研究性试车和交付前的检验性试车立下了汗马功劳。

  不让载人航天工程列车误点

  1997年11月,又一次重要的考验摆到了801所面前。主管载人航天工程的原国防科工委副主任沈荣骏突然来到该所。他一脸严肃地向该所领导提出:上级决定将原来的电性船改为试验飞船,力争在1999年国庆50周年大庆时发射我国的第一艘无人试验飞船。由于考虑到推进分系统在飞船上是一个十分关键的分系统,成败与否,801所至关重要,他希望该所领导能够作出表态和承诺,对此发射方案予以支持。

  801所的领导闻此言后不禁心往下一沉:让初样产品上天,而且是极具重要意义的第一艘飞船,搞了这么多年的航天,这可是破天荒的头一回。

  怎么办?当时的所长黄瑞生、前任所长臧家亮等都感到实在是太为难了。假如他们坚持说“不”,也能摆出许许多多不行的理由。但为了早日实现飞天之梦,他们的出发点仍然倾向于支持这一方案。

  要知道这是需要冒风险的,承诺两个字看似简单,但却是沉甸甸的。

  行,还是不行,必须赶快拿出一个十分明确的态度。于是,801所紧急行动起来,所领导首先与设计师系统的人员进行了深入、认真和充分研究,他们一致认为:依据推进分系统当前的研制状态和计划进度,加紧在有限的时间内进行关键子系统、关键件的试验和验证考核工作,并尽快重新提供一套按正样产品要求生产出来的产品参与飞行,还是比较有把握的。

  时间是最好的说明,事实是最有力的佐证。此后仅仅两年,神舟一号飞船在酒泉基地发射和回收成功,从北京飞控中心提供的有关测试报告可以判断,试验飞船各分系统工作均正常,801所承担的推进分系统与GNC、数管等分系统都表现出色。

  此后,神舟飞船连续成功,推进分系统功不可没。


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