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当前头条:三十载自立自强,铸就载人航天器金牌动力

发动机之于火箭和航天器,就如同心脏之于人体。没有发动机的力量,再先进的火箭和航天器也无法问鼎太空。

在我国载人航天工程中,801所承担了载人飞船推进系统、货运飞船一体化可补加推进系统、空间实验室一体化可补加推进系统、空间站核心舱一体化可补加推进系统、空间站问天实验舱和梦天实验舱推进系统等所有载人航天器推进系统的研制任务,圆满完成了载人航天器全部发射飞行、交会对接、在轨补加任务,为我国载人航天事业作出了重要贡献。


(资料图片)

从零起步,一定要赶超世界先进水平

上世纪80年代后期,正当801所陷入型号任务单一、研制任务严重不足的低谷而勉力维继时,国家将载人航天领域列入“863”计划,开始中国载人航天工程的论证工作。我国载人航天事业在“曙光号”搁浅近20年后迎来新的曙光,这也让逆境中求生存的801所看到了一线转机。

发展航天,动力先行。迈向更高更远更深的太空,离不开火箭运载能力的提升,同样离不开空间推进动力的加持,否则,再先进的航天器也只能是浩瀚宇宙中的一叶飘萍。而空间发动机正是801所的看家产品。所以当“863”计划提出载人航天研究课题后,801所既看到了发展机遇,机不可失,也感觉到了空间推进动力在推动我国载人航天事业赶超世界先进水平征程中的责无旁贷。

随即,801所便开始着手收集资料,主动开展载人航天器推进系统有关预研,并最终在我国载人航天工程立项时争取到神舟飞船推进分系统研制任务。正如当时的老所长臧家亮所说,“盼星星,盼月亮,搞了一辈子航天,晚年能够参加载人航天工程并负责飞船推进分系统研制,这既是一种荣誉,更是一种责任”。

载人航天是“上得去、呆得住、回得来”的过程,前一个任务由火箭完成,后两个任务则由飞船推进分系统完成。所以推进分系统是载人飞船最重要的分系统之一,负责飞船在轨飞行、返回舱再入过程和轨道舱留轨飞行各阶段的姿态控制、稳定、调整,以及变轨、轨道维持、返回制动、应急救生全部动力功能,是飞船的动力之源,其可靠性、安全性直接关系到飞行任务成败和航天员安全。

为此,801所为神舟飞船配置了52台空间发动机,最小的推力5牛,最大的推力2500牛。大大小小的发动机从不同方向提供不同推力,从而保证飞船在太空中俯仰有度、动静自如。

作为飞船推进分系统中推力最大的发动机,2500牛发动机是飞船“呆得住、回得来”的关键。它既要为飞船变轨提供动力,也要为飞船返回制动减速,还要在万一遇险时为航天员提供救生逃逸保障,堪称“关键中的关键”。

尽管有研制卫星及运载火箭姿轨控发动机的经验,但当时801所研制过的发动机最大推力仅有490牛,2500牛发动机的推力一下子放大到5倍多,对发动机燃烧效率与稳定性、冷却设计等都提出了更高的要求。这也导致2500牛发动机在第一次地面试车时就发生了燃烧不稳定而致使发动机被瞬时烧穿的情况。

801所研制队伍顶住时间紧、难度大的压力,分析故障,查阅资料,对发动机头部工艺进行改良,在之后的试车中成功验证了改进措施的可靠、有效,而设计的燃烧稳定装置也使得2500牛发动机成为国内第一台“动态稳定”的空间发动机,保证了载人飞船高可靠性和高安全性的特殊要求。

在轨补加,中国航天迈进“空间站时代”

2017年4月27日19点07分,天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功完成首次推进剂在轨补加试验。突破和掌握的推进剂在轨补加技术,填补了我国航天领域的空白,实现了空间推进领域的一次重大技术跨越,为我国空间站组装建造和长期运营扫清了动力能源供给上的障碍,使我国成为第二个独立掌握并成功应用这一关键技术的国家。而这背后是801所历时十余年的完全独立自主攻关。

所谓推进剂在轨补加技术,通俗地说,就是“太空加油”,即在太空中向在轨飞行的航天器添加推进剂,从而延长航天器在轨飞行时间,突破航天器飞行寿命局限,是空间站建设和长期运营的必备技术。此前,掌握这一技术的国家只有俄罗斯和美国,且只有俄罗斯实现了在轨加注应用。自信的中国航天人坚持“太空加油技术一定要在自己手中实现”,用10年时间攻克了一系列关键技术。

要实现在轨补加功能,核心单机便是压气机。这也是研制难度最大的单机,其作用是将推进剂贮箱的增压气体回抽至气瓶内,便于贮箱接受货运飞船的推进剂,同时实现了增压气体工质的循环利用。为此,压气机的压缩比达到了100∶1以上。

在工程样机研制阶段,801所充分发挥仿真技术优势,建立了压气机整机系统模型,充分辨识了压气机多个技术关键点,对设计参数不断仿真迭代优化,确保设计源头合理、正确。

研制过程中,一个个难题接踵而来,团队成员常常是黑白颠倒,作息规律完全被打乱。办公室桌上成堆的图纸资料、实验室高分贝的噪声、装配间的临时躺椅成了他们“最长情的陪伴”。

为满足空间站长期在轨飞行要求,新研制的压气机必须满足各项严苛性能测试,而每一次几乎不间断寿命试验长达1000小时以上。801所研制团队连续奋战40多天,全程监测试验机的工作状态,最终圆满完成了压气机的关键技术攻关和工程研制工作。

“太空加油”得以实施的一个前提条件是,受加注方(空间站或空间实验室)要具备可重复接受加注的能力。为此,801所研制了国内最大的可补加金属膜盒贮箱,内设膜盒管理装置,有效实现了气液物理分离。贮箱可以像手风琴风箱一样推拉往复运动,这样的补加装置能接受上百次加注。此外,801所为天舟一号货运飞船首创了推进与补加一体化推进系统设计方案,实现了功能互补、推进剂资源利用最大化。

在推进剂补加系统研制中,801所首次提出了一体化货运飞船推进系统方案,发明了“全油填充+自适应补油”、不受失重环境影响的隔膜式压气机,首创了电动式推进剂液路浮动断接器,为载人空间站工程奠定了技术基础。这是确保载人航天工程“第三步”战略顺利实施的重要支撑技术,对于实现航天人不懈追求的航天梦,具有十分深远的意义。

无毒推进,突破返回舱可复用重要技术

硝酸羟胺(HAN)基无毒单组元可贮存空间发动机,具有推进剂无毒、无污染、密度大、比冲高和系统易维护、可重复使用等突出优点,是当今国际上空间姿轨控推进系统的前沿研究方向,也是替代常规高毒性肼类推进剂的主要途径。

801所在新一代载人飞船返回舱推进系统中创新性采用了HAN基无毒单组元推进技术。这是实现返回舱可重复使用的重要技术之一,也是保障航天员身体健康的最佳推进系统选择。

早在上世纪90年代末研制神舟飞船返回舱时,为防止推进剂泄漏对航天员的安全风险,801所就曾经提出采用无毒的HAN基发动机。然而,限于当时HAN基发动机技术不成熟,这一方案被无奈放弃。

2014年5月,801所启动新一代多用途载人飞船推进系统项目论证工作,针对未来返回舱可重复使用的考虑,大胆提出了HAN基无毒单组元返回舱推进系统技术方案。其中,400牛发动机因推力大,成为突出的关键技术,同期国际上尚在研究的同类发动机最大推力也不超过200牛,所以面临着研制难度大、技术新、周期短。

基于单组元液体火箭发动机、工程热力学、化学工程、材料力学和结构力学等原理和方法,801所解决了十余项关键技术和工程难题,包括HAN基400牛发动机长寿命、高可靠性结构设计,长时间热管理,HAN基无毒推进剂及其与耐高温催化剂的匹配性等,完成从方案、设计原理样机、工程样机到型号产品的全流程、全周期研发。

HAN基无毒单组元400牛发动机,是国际上首次针对飞船返回舱姿控动力无毒化而研制的发动机,也是国际研制的最大推力的无毒单组元发动机。在研制过程中,801所攻克了HAN基发动机推力经量级放大后稳定工作这一国际难题,为HAN基发动机的型谱化研制奠定了良好技术基础,也将极大地推动我国各类航天器常规肼类高毒性单组元推进技术实现无毒化应用进程。

可以说,新型HAN基无毒发动机技术体现了绿色环保理念,引领了国际无毒空间发动机技术发展,为我国宇航动力技术创新和综合效能提升发挥了重要作用,也彰显了中国作为航天大国在国际社会中的责任和担当。

3个“首次”,为高科技自立自强再立新功

针对空间站在轨运行15年以上的长寿命要求,801所创新性地在推进剂补加自动控制、高效霍尔电推进、在轨维修等领域为天和核心舱贡献了3个“首次”。

首次实现推进剂自主补加。推进剂是空间站持续在轨运行的基础。为确保交会对接后货船内的推进剂更加精准地补加到核心舱内,801所首次提出了自主补加设计方案,研发了智能推进管理器,编写了300余条故障预案,并创新性地对补加流程进行了模块化设计,使整个补加过程不依靠地面指令干预或航天员辅助操作,即可自主完成,为空间站长期在轨运行提供了有力保障。

首次使用霍尔电推进发动机,参与空间站姿轨控推进功能。为补偿空间站在轨运行中受大气阻力因素影响而轨道衰减,同时节省化学推进剂的消耗,801所提出了使用高效霍尔电推进技术方案,通过多轮方案设计和试验验证,最终为天和核心舱配备了4台自主研发的霍尔电推进发动机。这也是我国首次将电推进系统应用到载人航天器上。

801所于1994年在国内率先开展霍尔电推进技术和应用研究,研制了我国首台霍尔推力器、首台多模式霍尔推力器、首套霍尔电推进系统,实现了我国霍尔电推进的首次空间飞行,使我国继俄、美、欧空局之后第四个掌握霍尔电推进技术。2020年,我国首款20千瓦大功率霍尔推力器成功完成点火试验,实现了我国霍尔电推进的推力从毫牛级向牛级的跨越。

首次为航天员设计了出舱更换维修电推进设备的方案。电推进工质耗尽或霍尔推力器寿命终止后,可通过在轨更换维修来实现电推进功能持续维持。801所团队结合实际需求和产品风险评估,综合考虑了航天员需求和产品工效学,设计了推进系统多种重要设备可由航天员出舱在轨更换维修的方案。

作为我国载人航天工程空间飞行器研制领域的重要力量,801所始终秉承“特别能吃苦,特别能战斗,特别能攻关,特别能奉献”的载人航天精神,奋战在我国载人航天领域推进系统研制工作一线。

三十载栉风沐雨,三十载自主创新,三十载成果卓著,瞄准载人航天技术前沿,801所勇于创新,自主突破和掌握了众多载人航天关键技术,获得专利授权131项、省部级以上科学技术奖31项,助力中国载人航天事业不断缩小与世界先进水平的差距。向着星辰大海,为着美好未来,801所将继续为载人航天工程提供有力的动力支撑,一步步揭开宇宙的神秘面纱,将梦想照进现实。(马林 顾帅华)

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