發(fā)動(dòng)機(jī)之于火箭和航天器，就如同心臟之于人體。沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的力量，再先進(jìn)的火箭和航天器也無法問鼎太空。

航天科技集團(tuán)六院801所作為我國專門從事中小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制單位，各類產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于載人航天、衛(wèi)星、導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭、深空探測等多個(gè)領(lǐng)域。


(資料圖片)

在我國載人航天工程中，801所承擔(dān)了載人飛船推進(jìn)系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間實(shí)驗(yàn)室一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間站核心艙一體化可補(bǔ)加推進(jìn)系統(tǒng)、空間站問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙推進(jìn)系統(tǒng)等所有載人航天器推進(jìn)系統(tǒng)的研制任務(wù)，圓滿完成了載人航天器全部發(fā)射飛行、交會(huì)對(duì)接、在軌補(bǔ)加任務(wù)，為我國載人航天事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)。

從零起步，一定要趕超世界先進(jìn)水平

20世紀(jì)80年代后期，正當(dāng)801所陷入型號(hào)任務(wù)單一、研制任務(wù)嚴(yán)重不足的低谷而勉力維繼時(shí)，國家將載人航天領(lǐng)域列入“863”計(jì)劃，開始中國載人航天工程的論證工作。我國載人航天事業(yè)在“曙光號(hào)”擱淺近20年后迎來新的曙光，這也讓逆境中求生存的801所看到了一線轉(zhuǎn)機(jī)。

發(fā)展航天，動(dòng)力先行。邁向更高更遠(yuǎn)更深的太空，離不開火箭運(yùn)載能力的提升，同樣離不開空間推進(jìn)動(dòng)力的加持，否則，再先進(jìn)的航天器也只能是浩瀚宇宙中的一葉飄萍。而空間發(fā)動(dòng)機(jī)正是801所的看家產(chǎn)品。所以當(dāng)“863”計(jì)劃提出載人航天研究課題后，801所既看到了發(fā)展機(jī)遇，機(jī)不可失，也感覺到了空間推進(jìn)動(dòng)力在推動(dòng)我國載人航天事業(yè)趕超世界先進(jìn)水平征程中的責(zé)無旁貸。

隨即，801所便開始著手收集資料，主動(dòng)開展載人航天器推進(jìn)系統(tǒng)有關(guān)預(yù)研，并最終在我國載人航天工程立項(xiàng)時(shí)爭取到神舟飛船推進(jìn)分系統(tǒng)研制任務(wù)。正如當(dāng)時(shí)的老所長臧家亮所說，“盼星星，盼月亮，搞了一輩子航天，晚年能夠參加載人航天工程并負(fù)責(zé)飛船推進(jìn)分系統(tǒng)研制，這既是一種榮譽(yù)，更是一種責(zé)任”。

載人航天是“上得去、待得住、回得來”的過程，前一個(gè)任務(wù)由火箭完成，后兩個(gè)任務(wù)則由飛船推進(jìn)分系統(tǒng)完成。所以推進(jìn)分系統(tǒng)是載人飛船最重要的分系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)飛船在軌飛行、返回艙再入過程和軌道艙留軌飛行各階段的姿態(tài)控制、穩(wěn)定、調(diào)整，以及變軌、軌道維持、返回制動(dòng)、應(yīng)急救生全部動(dòng)力功能，是飛船的動(dòng)力之源，其可靠性、安全性直接關(guān)系到飛行任務(wù)成敗和航天員安全。

為此，801所為神舟飛船配置了52臺(tái)空間發(fā)動(dòng)機(jī)，最小的推力5牛，最大的推力2500牛。大大小小的發(fā)動(dòng)機(jī)從不同方向提供不同推力，從而保證飛船在太空中俯仰有度、動(dòng)靜自如。

作為飛船推進(jìn)分系統(tǒng)中推力最大的發(fā)動(dòng)機(jī)，2500牛發(fā)動(dòng)機(jī)是飛船“待得住、回得來”的關(guān)鍵。它既要為飛船變軌提供動(dòng)力，也要為飛船返回制動(dòng)減速，還要在萬一遇險(xiǎn)時(shí)為航天員提供救生逃逸保障，堪稱“關(guān)鍵中的關(guān)鍵”。

盡管有研制衛(wèi)星及運(yùn)載火箭姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)801所研制過的發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力僅有490牛，2500牛發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一下子放大到5倍多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率與穩(wěn)定性、冷卻設(shè)計(jì)等都提出了更高的要求。這也導(dǎo)致2500牛發(fā)動(dòng)機(jī)在第一次地面試車時(shí)就發(fā)生了燃燒不穩(wěn)定而致使發(fā)動(dòng)機(jī)被瞬時(shí)燒穿的情況。

801所研制隊(duì)伍頂住時(shí)間緊、難度大的壓力，分析故障，查閱資料，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部工藝進(jìn)行改良，在之后的試車中成功驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可靠、有效，而設(shè)計(jì)的燃燒穩(wěn)定裝置也使得2500牛發(fā)動(dòng)機(jī)成為國內(nèi)第一臺(tái)“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”的空間發(fā)動(dòng)機(jī)，保證了載人飛船高可靠性和高安全性的特殊要求。

在軌補(bǔ)加，中國航天邁進(jìn)“空間站時(shí)代”

2017年4月27日19點(diǎn)07分，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功完成首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)。突破和掌握的推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，填補(bǔ)了我國航天領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了空間推進(jìn)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)跨越，為我國空間站組裝建造和長期運(yùn)營掃清了動(dòng)力能源供給上的障礙，使我國成為第二個(gè)獨(dú)立掌握并成功應(yīng)用這一關(guān)鍵技術(shù)的國家。而這背后是801所歷時(shí)十余年的完全獨(dú)立自主攻關(guān)。

所謂推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，通俗地說，就是“太空加油”,即在太空中向在軌飛行的航天器添加推進(jìn)劑，從而延長航天器在軌飛行時(shí)間，突破航天器飛行壽命局限，是空間站建設(shè)和長期運(yùn)營的必備技術(shù)。此前，掌握這一技術(shù)的國家只有俄羅斯和美國，且只有俄羅斯實(shí)現(xiàn)了在軌加注應(yīng)用。自信的中國航天人堅(jiān)持“太空加油技術(shù)一定要在自己手中實(shí)現(xiàn)”，用10年時(shí)間攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

要實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加功能，核心單機(jī)便是壓氣機(jī)。這也是研制難度最大的單機(jī)，其作用是將推進(jìn)劑貯箱的增壓氣體回抽至氣瓶內(nèi)，便于貯箱接受貨運(yùn)飛船的推進(jìn)劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了增壓氣體工質(zhì)的循環(huán)利用。為此，壓氣機(jī)的壓縮比達(dá)到了100∶1以上。

在工程樣機(jī)研制階段，801所充分發(fā)揮仿真技術(shù)優(yōu)勢，建立了壓氣機(jī)整機(jī)系統(tǒng)模型，充分辨識(shí)了壓氣機(jī)多個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)不斷仿真迭代優(yōu)化，確保設(shè)計(jì)源頭合理、正確。

研制過程中，一個(gè)個(gè)難題接踵而來，團(tuán)隊(duì)成員常常是黑白顛倒，作息規(guī)律完全被打亂。辦公室桌上成堆的圖紙資料、實(shí)驗(yàn)室高分貝的噪聲、裝配間的臨時(shí)躺椅成了他們“最長情的陪伴”。

為滿足空間站長期在軌飛行要求，新研制的壓氣機(jī)必須滿足各項(xiàng)嚴(yán)苛性能測試，而每一次幾乎不間斷壽命試驗(yàn)長達(dá)1000小時(shí)以上。801所研制團(tuán)隊(duì)連續(xù)奮戰(zhàn)40多天，全程監(jiān)測試驗(yàn)機(jī)的工作狀態(tài)，最終圓滿完成了壓氣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程研制工作。

“太空加油”得以實(shí)施的一個(gè)前提條件是，受加注方（空間站或空間實(shí)驗(yàn)室）要具備可重復(fù)接受加注的能力。為此，801所研制了國內(nèi)最大的可補(bǔ)加金屬膜盒貯箱，內(nèi)設(shè)膜盒管理裝置，有效實(shí)現(xiàn)了氣液物理分離。貯箱可以像手風(fēng)琴風(fēng)箱一樣推拉往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣的補(bǔ)加裝置能接受上百次加注。此外，801所為天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船首創(chuàng)了推進(jìn)與補(bǔ)加一體化推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了功能互補(bǔ)、推進(jìn)劑資源利用最大化。

在推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)研制中，801所首次提出了一體化貨運(yùn)飛船推進(jìn)系統(tǒng)方案，發(fā)明了“全油填充+自適應(yīng)補(bǔ)油”、不受失重環(huán)境影響的隔膜式壓氣機(jī)，首創(chuàng)了電動(dòng)式推進(jìn)劑液路浮動(dòng)斷接器，為載人空間站工程奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這是確保載人航天工程“第三步”戰(zhàn)略順利實(shí)施的重要支撐技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)航天人不懈追求的航天夢(mèng)，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

無毒推進(jìn)，突破返回艙可復(fù)用重要技術(shù)

硝酸羥胺（HAN）基無毒單組元可貯存空間發(fā)動(dòng)機(jī)，具有推進(jìn)劑無毒、無污染、密度大、比沖高和系統(tǒng)易維護(hù)、可重復(fù)使用等突出優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今國際上空間姿軌控推進(jìn)系統(tǒng)的前沿研究方向，也是替代常規(guī)高毒性肼類推進(jìn)劑的主要途徑。

801所在新一代載人飛船返回艙推進(jìn)系統(tǒng)中創(chuàng)新性采用了HAN基無毒單組元推進(jìn)技術(shù)。這是實(shí)現(xiàn)返回艙可重復(fù)使用的重要技術(shù)之一，也是保障航天員身體健康的最佳推進(jìn)系統(tǒng)選擇。

早在上世紀(jì)90年代末研制神舟飛船返回艙時(shí)，為防止推進(jìn)劑泄漏對(duì)航天員的安全風(fēng)險(xiǎn)，801所就曾經(jīng)提出采用無毒的HAN基發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，限于當(dāng)時(shí)HAN基發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不成熟，這一方案被無奈放棄。

2014年5月，801所啟動(dòng)新一代多用途載人飛船推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目論證工作，針對(duì)未來返回艙可重復(fù)使用的考慮，大膽提出了HAN基無毒單組元返回艙推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)方案。其中，400牛發(fā)動(dòng)機(jī)因推力大，成為突出的關(guān)鍵技術(shù)，同期國際上尚在研究的同類發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力也不超過200牛，所以面臨著研制難度大、技術(shù)新、周期短。

基于單組元液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、工程熱力學(xué)、化學(xué)工程、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等原理和方法，801所解決了十余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和工程難題，包括HAN基400牛發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命、高可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，長時(shí)間熱管理，HAN基無毒推進(jìn)劑及其與耐高溫催化劑的匹配性等，完成從方案、設(shè)計(jì)原理樣機(jī)、工程樣機(jī)到型號(hào)產(chǎn)品的全流程、全周期研發(fā)。

HAN基無毒單組元400牛發(fā)動(dòng)機(jī)，是國際上首次針對(duì)飛船返回艙姿控動(dòng)力無毒化而研制的發(fā)動(dòng)機(jī)，也是國際研制的最大推力的無毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。在研制過程中，801所攻克了HAN基發(fā)動(dòng)機(jī)推力經(jīng)量級(jí)放大后穩(wěn)定工作這一國際難題，為HAN基發(fā)動(dòng)機(jī)的型譜化研制奠定了良好技術(shù)基礎(chǔ)，也將極大地推動(dòng)我國各類航天器常規(guī)肼類高毒性單組元推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無毒化應(yīng)用進(jìn)程。

可以說，新型HAN基無毒發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念，引領(lǐng)了國際無毒空間發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，為我國宇航動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新和綜合效能提升發(fā)揮了重要作用，也彰顯了中國作為航天大國在國際社會(huì)中的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。

3個(gè)“首次”，為高科技自立自強(qiáng)再立新功

針對(duì)空間站在軌運(yùn)行15年以上的長壽命要求，801所創(chuàng)新性地在推進(jìn)劑補(bǔ)加自動(dòng)控制、高效霍爾電推進(jìn)、在軌維修等領(lǐng)域?yàn)樘旌秃诵呐撠暙I(xiàn)了3個(gè)“首次”。

首次實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑自主補(bǔ)加。推進(jìn)劑是空間站持續(xù)在軌運(yùn)行的基礎(chǔ)。為確保交會(huì)對(duì)接后貨船內(nèi)的推進(jìn)劑更加精準(zhǔn)地補(bǔ)加到核心艙內(nèi)，801所首次提出了自主補(bǔ)加設(shè)計(jì)方案，研發(fā)了智能推進(jìn)管理器，編寫了300余條故障預(yù)案，并創(chuàng)新性地對(duì)補(bǔ)加流程進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，使整個(gè)補(bǔ)加過程不依靠地面指令干預(yù)或航天員輔助操作，即可自主完成，為空間站長期在軌運(yùn)行提供了有力保障。

首次使用霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，參與空間站姿軌控推進(jìn)功能。為補(bǔ)償空間站在軌運(yùn)行中受大氣阻力因素影響而軌道衰減，同時(shí)節(jié)省化學(xué)推進(jìn)劑的消耗，801所提出了使用高效霍爾電推進(jìn)技術(shù)方案，通過多輪方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終為天和核心艙配備了4臺(tái)自主研發(fā)的霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。這也是我國首次將電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用到載人航天器上。

801所于1994年在國內(nèi)率先開展霍爾電推進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用研究，研制了我國首臺(tái)霍爾推力器、首臺(tái)多模式霍爾推力器、首套霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國霍爾電推進(jìn)的首次空間飛行，使我國繼俄、美、歐空局之后第四個(gè)掌握霍爾電推進(jìn)技術(shù)。2020年，我國首款20千瓦大功率霍爾推力器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了我國霍爾電推進(jìn)的推力從毫牛級(jí)向牛級(jí)的跨越。

首次為航天員設(shè)計(jì)了出艙更換維修電推進(jìn)設(shè)備的方案。電推進(jìn)工質(zhì)耗盡或霍爾推力器壽命終止后，可通過在軌更換維修來實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)功能持續(xù)維持。801所團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)際需求和產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，綜合考慮了航天員需求和產(chǎn)品工效學(xué)，設(shè)計(jì)了推進(jìn)系統(tǒng)多種重要設(shè)備可由航天員出艙在軌更換維修的方案。

作為我國載人航天工程空間飛行器研制領(lǐng)域的重要力量，801所始終秉承“特別能吃苦，特別能戰(zhàn)斗，特別能攻關(guān)，特別能奉獻(xiàn)”的載人航天精神，奮戰(zhàn)在我國載人航天領(lǐng)域推進(jìn)系統(tǒng)研制工作一線。

三十載櫛風(fēng)沐雨，三十載自主創(chuàng)新，三十載成果卓著，瞄準(zhǔn)載人航天技術(shù)前沿，801所勇于創(chuàng)新，自主突破和掌握了眾多載人航天關(guān)鍵技術(shù)，獲得專利授權(quán)131項(xiàng)、省部級(jí)以上科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)31項(xiàng)，助力中國載人航天事業(yè)不斷縮小與世界先進(jìn)水平的差距。向著星辰大海，為著美好未來，801所將繼續(xù)為載人航天工程提供有力的動(dòng)力支撐，一步步揭開宇宙的神秘面紗，將夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

標(biāo)簽： 載人航天 關(guān)鍵技術(shù) 載人飛船