月亮之上的科技嫦娥丨“探月”動力從哪來？發動機零件也能3D列印

嫦娥六號任務歷經發射、地月轉移、落月、上升、交會對接以及返回等多個過程，帶回了人類首份月背樣品。在這些過程中，超過一百台航天發動機不斷接力，一起來梳理一下這些發動機。

 

嫦娥“探月”動力從哪來？

 

 

5月3日，嫦娥六號成功發射，在進入太空的這2200多秒，主要由火箭來提供動力。發射嫦娥六號的長征五號火箭上共有30台發動機，它們一起助力，將嫦娥六號送到地月轉移軌道。

 

進入預定軌道之後，誰來提供動力呢？這就都要靠安裝在嫦娥六號身上的77台發動機了。這臺7500牛變推力發動機，在落月期間發揮了重要的作用。

 

中國航天科技集團 李建華：這個發動機就是探月工程的7500牛變推力發動機，下面這部分是噴管。這兩個主要零件裝配在噴管的上端，主要的作用就是控制推進劑進入燃燒室的量的大小，來實現發動機的可變推力。

 

 

這款7500牛變推力發動機是為嫦娥三號著陸月球而研製的，是落月的關鍵設備，它在嫦娥三號任務之後還陸續幫助嫦娥四號、五號、六號實現了月球軟著陸。

 

在嫦娥六號完成月面採樣後，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牛發動機發揮作用了。

 

 

中國航天科技集團 潘匡志：這個就是我們著上組合體的一個模型，我們的3000牛發動機就在上升器的中間的位置。

 

嫦娥六號任務非常複雜，既要落月探測，又要採樣返回，除了7500牛變推力發動機、3000牛發動機，嫦娥六號上還有150牛、25牛、10牛等多種類型的發動機，在姿態控制、交會對接等過程中發揮了重要作用。

 

如何造好嫦娥的“動力之源”？

 

在這個生産火箭發動機零部件的廠房，記者看到，這裡所有零部件都採用3D列印技術來製造，過去人工至少要50小時製造的一個零件，現在用3D列印只需要10個小時。

 

 

在這個廠房中，近百台金屬3D印表機根據發動機設計圖紙，晝夜不停地進行著生産。從這裡出廠的零部件，會被用於組裝成火箭發動機。通過3D列印技術，讓發動機的生産週期更短、製造工序簡單、可靠性更高，並且還能節省大量的原材料。

 

 

中國航天科技集團 周亞雄：像這臺的話就是我們一個發動機上的殼體，因為火箭發動機它適應工況比較高，它既要承壓，又要保證它的使用的力學性能，所以説現在我們就用3D列印，就相當於把它集成化設計，然後實現它的一體化成型。

 

記者在這裡採訪發現，現在新研製的火箭發動機，60%以上的零部件都可以通過3D列印來生産，這樣使得發動機研製效率大幅提高。此前發動機很多零部件幾乎都是人工“搓”出來的“孤品”，有了新技術的加持，火箭發動機逐漸從“工藝品”轉型為“工業品”。

 

 

中國航天科技集團 張鵬：早期的鑄造的合格率受限于技術水準，只能達到30%左右。3D列印技術的研發和突破，現在合格率能達到95%以上。

 

如果説，3D列印提升的是火箭發動機的製造技術，那數字化的應用就是火箭發動機研製效率大幅提升的代表。

 

 

以前設計發動機靠的是手繪圖紙或二維製圖，而隨著數字化水準的提高，現在發動機的設計已經開始全面採用三維模型，研製週期大幅縮短。

 

 

中國航天科技集團 李程：採用這種數字化的手段以後，咱們産品的迭代速度是更快的，可以在數字化的世界裏面進行多輪次的倣真計算，確保在物理世界上實現一次成功，支撐了更大推力的液體火箭發動機的研製過程。

 

 

中國航天科技集團 李斌：火箭發動機作為核心關鍵技術的一個代表，它也牽引了這些工業技術水準的提高。火箭發動機需求、配套的一些材料、製造工藝、設備，它水準也在提高。所以相輔相成，促進了我們現在整體研製水準的提高。

 

火箭發動機試車：提高效率 保證品質

 

在西安抱龍峪的這個試車臺，記者看到，未來將用於中國可重復使用火箭的一台發動機，正在為試車做準備。經過升級改造，以前五天才能完成的一次試車，現在最快兩天就能完成。

 

中國航天科技集團 高強：為了完美地測試發動機正確的性能，首先試車臺肯定是不能掉鏈子，試車臺自身得絕對可靠。

 

 

火箭發動機試車也被稱為“不起飛的發射”，每台發動機交付火箭前都要在試車臺上點火試車，驗證其性能。

 

近些年，中國航天逐漸進入常態化高密度發射階段，火箭對發動機的需求量也逐年增大，到2025年要具備每年試驗300台發動機的能力，這對試車臺的考驗非常大。那怎麼才能提高試車臺的效率呢？

 

 

中國航天科技集團 高強：這個廠房我們稱為試驗的準備間，顧名思義就是我們要把試前和試後等一些工作轉移到試驗的準備間裏來完成。這個是我們給發動機試驗所設計的一個發動機的轉運車，它可以通過自動導航的形式把發動機轉運到我們試驗間，與我們試車臺架進行一個對接。

 

有了新技術的加持，這個試車臺上最多可以有4台發動機同時開展工作，試車臺的利用率高了，試車效率自然也就提高了。

 

中國航天科技集團 李斌：發動機是我們航天發射的一個核心支撐，是一個基礎，發動機必須滿足總體的要求，這樣才能支撐航天健康快速發展。

 

生産化肥和衣服 火箭發動機技術用途多

 

眼前這臺非常高大的裝置就是配備了“航天爐”的煤化工裝置。可以通過再處理合成甲醇、合成氨、煤制油等産品，可廣泛應用於紡織、化肥製造、化工等領域，而其中最關鍵的燃燒裝置就來自火箭發動機。

 

 

航天長征化學工程股份有限公司 趙峰：它是源於火箭發動機的燃燒、傳熱以及系統工程理論研製的航天粉煤加壓氣化技術，是航天液體火箭發動機技術的民用領域應用。火箭是要充分燃燒，而這是一種欠氧燃燒，這就帶來精確的氧氣和氣化原料的控制。

 

聽起來容易，幹起來難。在第一台“航天爐”誕生之前，這項技術一直被國外壟斷，很多企業要花幾十億甚至幾百億元去購買國外的技術和設備，市場需求非常迫切。

 

 

既然市場需求這麼迫切，那為什麼沒人幹呢？

 

趙峰告訴記者，中國的煤種類太多，要想幹好“航天爐”這項技術，需要把每一種煤的氣化特性都研究出來，有一部分是不好用於燃燒的劣質煤，既費時間，投入又大。

 

 

航天長征化學工程股份有限公司 趙峰：這種煤達不到燃料煤的要求，我們希望把它變成氣化原料，把它的價值利用起來。把煤必須吃透，才能進行一對一的工業化設計。

 

 

截至目前，“航天爐”項目團隊已經建立了9大類600多種的煤質氣化特性數據庫和煤氣化企業標準。像這樣一對一建設的工廠簽約氣化爐155台，簽約總合同額已超200億元，拉動上下游産業投資超3000億元。在北京的遠程服務中心，這裡能看到全國正在運行的“航天爐”實時的狀態。

 

 

航天長征化學工程股份有限公司 姜從斌：每一台氣化爐大概有2000個實時的數據，這些數據對新技術的研發非常寶貴。煤化工行業一年的GDP也是超過1萬億，所以它必須開發核心技術。未來可能還會進入一些環保的領域，滿足我們未來的碳中和需要。

 

 

除此之外，火炬也可以借鑒火箭發動機的燃燒和控制技術，2022年北京冬奧會手持火炬“飛揚”以及能源化工行業中用於無毒無害氣體排放的工業火炬，就是火箭發動機技術轉化而來的。目前，這個技術已經服務於國內上百家企業，出口中東、非洲等“一帶一路”共建國家。

 

（總臺央視記者 崔霞 李寧 陶嘉樹 吳天白）