搭建“鹊桥”会“嫦娥”——长征四号丙运载火箭发动机研制侧记

　　人民网北京5月21日电 今天早上5时28分，在西昌卫星发射中心，长征四号丙运载火箭将嫦娥四号中继卫星 “鹊桥”送入预定轨道，为我国“嫦娥四号”月球探测器在月球背面软着陆任务搭建起“鹊桥”铺平了道路。
　　承担本次发射任务的长征四号丙运载火箭是长征系列运载火箭中的一名“老将”，自2006年首飞至今，已经执行了20余次发射任务，将20多颗遥感卫星送入太空，并搭载发射了10余颗国内外小卫星，为我国太空探索立下了赫赫战功。本次发射任务是长征四号丙运载火箭首次在西昌卫星发射中心执行高轨道发射任务，从此拉开了其开展宇航发射任务的“新征程”。
　　长征四号丙运载火箭使用的常温推进剂一、二、三级主动力发动机均由中国航天科技集团六院11所研究设计，其中一、二级发动机更是誉为“金牌发动机”，广泛应用于我国长征系列运载火箭主动力系统，以其高可靠性保证了“载人航天”、“北斗导航”、“探月工程”等国家重大专项工程的顺利实施。从2007年10月到2013年12月，六院11所研制的一、二级发动机推举着长征三号甲系列运载火箭将“嫦娥一号”、“嫦娥二号”、“嫦娥三号”顺利送入太空，圆满实现了我国月球探测“绕落回”三步走中的前两步。
　　“金牌动力”连续成功的背后，是技术上的安全可靠，质量管理上的深耕细作。
　　攻坚克难 为了高可靠的动力
　　“没有攻克不了的难题！”中国航天科技集团六院11所党委书记、火箭发动机专家陈炜的话鼓舞了大家的斗志，点燃了设计师心中的“炉火”。
　　三九隆冬，秦岭深处的大型发动机试车台进行某重点型号可靠性试车，然而意外的事情发生了――二级游动发动机氧化剂导管出现断裂等现象，最后实施紧急关机。就在11所设计人员紧锣密鼓地进行故障归零时，一周后进行的运载二级发动机可靠性抽检试车，故障再次复现……
　　200次成功飞行，100余次试车成功，这么成熟的型号，居然连续两次试车出现问题，这给了研制队伍当头一棒。大家个个表情凝重，疑惑不解，就像自己小心翼翼精心呵护很多年的孩子，突然间摔了个大跟头，而且还这么严重。
　　发射场火箭已经竖立在塔架上，箭在弦上，发还是不发？后面一连串的发射任务怎么办……
　　承受着质疑和压力，设计师队伍认真分析了试车数据，认为发动机不稳定燃烧导致振动偏大，是产生故障的根本原因。但是故障出现的时间已经超出了任务需求时间，因此大胆决策，发射任务正常进行，也得到了上级的鼎力支持。三天后，发射成功，但是研制队伍没有一丝的轻松，振动偏大就像悬在头顶的“达摩克利斯之剑”，导致发动机整体工作力学环境恶化，影响发动机的工作可靠性。液体火箭发动机振动、燃烧问题是世界性难题，美国、前苏联还有我国的多个发动机型号都吃过苦头，甚至导致型号下马。
　　11所发动机设计师联合仿真试验研究人员以及工厂等一线生产人员，全力通关，开展了大量的论证研究工作，从各种可能的原因开展分析排查工作。博士刘上挺身而出，勇敢接受了这一任务。面对新的难题，他义无反顾，与推力室设计人员积极沟通，开创性地开展了发动机最大汽蚀管可视化动力学研究试验、发动机泵后系统中高频水力激振试验，并且提出了微调改进方案。
　　经过大量的仿真分析、组件冷试、缩尺件热试，以及多轮次地摸索、研讨，最终确定了改进措施。2017年9月，在某重点型号一级发动机可靠性增长试车上经受了考验，试车取得圆满成功。紧跟着喜讯连连，2017年12月，某重点型号一级发动机第二次采取了抑制推力室异常振动的改进措施，并完成了高工况长程可靠性试车，试车再次取得了圆满成功。
　　至此，大家的脸上才露出了幸福的笑容，三年的辛勤努力，终于得到了回报。2018年3月30日，常规运载一级发动机抽检试车再次获得圆满成功，振动量级非常小，为后续发射任务的可靠性提供了有力的保障。
　　“绣花”工夫 为了筑牢成功之基
　　一件件地分析，一遍遍地修改，一轮轮地讨论……
　　针对一、二级发动机，11所的设计师共梳理出Ⅰ类、Ⅱ类单点故障模式300余项，涉及到具有独立功能的组件300余件，并有针对性地设置了关键特性3000余项。
　　常规运载火箭一、二级发动机研制队伍在型号副总师的带领下，不厌其烦、大力协同，通过近一年的“绣花工夫”，最终完成了上述项目的完整梳理。
　　作为运载火箭的“心脏”和核心部件，发动机具有结构复杂、功率密度高、工作环境恶劣等特点。长征四号丙运载火箭一、二级发动机共有数万个零件组成，多个零件组成组件，组件再构成部件，最终组成发动机系统。在发动机工作过程中，具备高温、高压、高振动的三高特点。在如此严酷的条件下，发动机的所有零组件，都需要可靠工作，不仅要完成各自功能，而且需要协调工作。由于发动机的结构质量受到严格限制，难以进行冗余设计，因此系统中任何一个零件出现故障，都有可能导致整个任务失败，设计师称之为“单点”故障。
　　一、二级发动机系统到底有多少种单点故障模式和单点故障组件？它们的影响程度如何？
　　为了回答这个问题，设计师系统开展了深入地故障模式分析。先以组件为单元，梳理故障模式，然后针对每一个组件再具体梳理零件故障模式，逐层细化，层层分解，直到一个个螺钉、螺母。
　　梳理完故障模式之后，设计师系统又根据影响程度和发生概率进行了分类，分为I类故障、II类故障、III类故障、IV类故障。梳理完故障模式和组件后，设计师系统又开展了故障模式和影响分析，对影响程度较大的I类、II类单点故障模式产品均设置有关键特性，从发动机设计、工艺、过程控制三方面对关键组件和关键特性项目进行了一一梳理，制定相关控制措施，即三类关键特性及控制。在三类关键特性项目中均制定了强制检验点，严格质量把控，全面有效地进行检测确认。同时对发动机不可检测产品及项目、易错项目、成败型操作涉及产品、极性项目、测试覆盖性、连接部位量化控制、小导管质量控制等等，均进行一一梳理，以确保发动机系统任何一个零组件均在可控范围内。
　　经过一轮一轮的细化梳理，形成了一套门类齐全的数据库系统，有效提升了一、二级发动机的设计、生产过程数字化程度及产品质量管理水平。审视着一个个合格的数据，看到的是发动机稳定的工作曲线和卫星、探测器、飞船腾空而起的壮举。
　　一箭啸长空，使命更光荣！今年年底，一、二级发动机还将助力“嫦娥四号”月球探测器“鹊桥”相会。作为我国航天进入太空的金牌动力，长征系列运载火箭还将承担更多的发射任务，承受更多的使命――“亚太”、“海洋”、“风云”、“北斗”……2018年35次发射任务，200多台发动机的生产交付，容不得研制队伍有半点松懈。
　　使命在召唤，任重而道远！11所人将一如继往、勇毅前行，打造安全可靠的火箭“心脏”，推举中国航天飞得更高更远！（张鹏）

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