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“胖五”的不屈苍穹路

2017年7月2日,长征五号遥二火箭在夜色中发射升空。

黄兵 天问一号任务运载火箭系统01指挥员

那次发射任务我是作为“01”指挥员参加的,我当时就坐在最中心的位置。起飞的瞬间,整个过程跟我们的预期都是一致的,甚至说我们的助推分离也是很完美的。

点火170秒后,4个助推器完成使命,成功分离。

“抛整流罩,文昌光学、雷达跟踪正常,遥测信号正常,文昌飞行正常。”

控制大厅内响起热烈的掌声。然而,又过了170多秒,控制大厅里的气氛却有些异常。

长征五号遥二火箭发射升空

长征五号遥二火箭起飞瞬间

王维彬 天问一号任务运载火箭系统副总设计师

346.7秒。在控制大厅里,有一个飞行弹道,飞行有一个理论值,踩着这个理论值大家心里就踏实了,但是走着走着突然弹道曲线往下走了,大家就意识到肯定出问题了。这没有任何先兆,相当于一个人突然休克了,很突然就没气了,所以当时觉得特别不可思议。

长五火箭芯一级安装了两台YF-77液氢液氧发动机,单台推力50吨。

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

芯一级的1台发动机推力大幅下降,出现这种情况后,整个控制大厅突然变得非常安静,大家都有点儿蒙,也都接受不了这个现实。

压力,每个人都感觉到令人窒息的压力。发射过程中的数据曲线只能描绘出问题的大致轮廓,但看不到病根,也就无法用药。如果能够看到发动机究竟出现了什么故障,就有可能精准地找到病灶。显然这是不可能的,动力不足的“胖五”偏离了轨道,已经消失在太平洋中。

许晓勇 天问一号任务运载火箭系统专家

长五遥二火箭发射失利以后,最直观的就是对嫦娥五号月球采样任务和载人空间站工程建设产生了重大影响。他们的计划都被迫推迟了,因为只要发动机的问题不解决,长五就不能复飞。

在中国航天的字典里有一个名词叫“归零”,就是当航天产品出现同预期不一样的情况,就必须严格执行对问题的“归零”处理程序。航天人把“归零”比喻成“在黑暗中探索”,但谁也没想到这次黑夜会如此漫长。

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

出现问题之后,前后各个环节都得动起来,最后一步一步推吧,看看是哪个产品出现问题,最后大家找到氧涡轮泵。

发动机是火箭的心脏,涡轮泵则是发动机的心脏。涡轮泵通过高速转动为来自贮箱的液氢和液氧增压,使之压入推力室混合燃烧,产生巨大推力,托起火箭飞行。

发动机是火箭的内脏

发动机工作原理

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

这涡轮端是工作在一个600摄氏度的富氢燃气环境中,泵端是工作在零下180摄氏度的液氧环境中。这两个地方离得很近。一端是热的,一端是冷的,基本上这里面的环境用一句话描述就是“冰火两重天”。

不仅环境恶劣,涡轮在工作的时候会以每分钟近两万转的速度转动,这让它的受力情况变得更为复杂,高速旋转会产生振动。而在发动机上有3个大的振源:氢涡轮泵、氧涡轮泵,还有推力室。

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

振动频率不能相同,否则就会发生耦合振动,产生共振。共振起来之后,振动量级就会越来越大,最终使一些结构件遭到破坏。上物理课的时候,老师经常会讲军队过桥时,军人的步伐很整齐,引起桥共振,最后桥塌了。

问题找到了,是振动引起的氧涡轮泵内部结构破坏,导致发动机熄火。

黄兵 天问一号任务运载火箭系统01指挥员

我们当时把一个可能出现问题的结构进行了加强,对它做了改进。改进之后我们进行了大量的试车,从各种数据来看没有什么问题了,好像这个问题解决了。

北京航天试验技术研究所航天发动机试车台

这里是位于北京云岗的航天发动机试车台,一台YF-77氢氧发动机正被安装在试车台上,通过点火测试来考核检验发动机的性能。2018年11月30日,一台用于验证改进方案的发动机在试车中出现了问题。

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

2018年11月的这次试车,没有出现明显振动的问题,而是发生了氧转子盘轴,就是氧涡轮泵中1个转子盘轴断裂。

在此之前,转子盘轴并不是上次故障归零锁定的问题,这台发动机总共测试了6次,接近3000秒的时间。

金志磊 天问一号任务运载火箭系统专家

反过头来再看之前的振动数据,也是有两次明显的振动频率异常,所以是这个振动频率造成转子盘轴断裂。

王维彬 天问一号任务运载火箭系统副总设计师

这个振动比较诡异,它有时候出现,有时候不出现,时隐时现。它对结构的损伤也是,有时候有破坏,有时候没有破坏。因为它是随机的,所以给分析带来一些困难。

针对这个振动频率,技术团队采用了更高精度的数据分析手段,把以前的试测数据再重新分析,发现很多台次的试测中氧涡轮泵都存在异常频率。这好比换了一个更高倍率的放大镜,让原来看不到的隐患显形了。

看来这回应该是找到了故障根源,于是设计师对盘轴进行了结构加强,通过加粗、加厚、改变局部形状的方法来对抗振动。大家眼前出现了曙光,长征五号遥三火箭的发射被安排在2019年夏天。

第三次试车现场

改进后的发动机要进行3次试车,前两次一切正常,距离成功只有一步之遥了。2019年4月4日进行第3次试车,人们充满信心,势在必得。

王维彬 天问一号任务运载火箭系统副总设计师

我们一般试车都在下午两点,试完了要进行数据处理。大概晚上10点半,办公室的一个年轻人给我打电话,说从振动参数看出有点儿异常。

技术人员在分析振动频率的时候,再次发现了频率的异常变化,而频率变化就意味着结构上已经产生破坏。

对于研制团队来说,这无疑是让眼前的希望变为巨大的失望。挫败让设计师们开始怀疑一切,开始否定自我。难道是设计方案先天不足?

归零!再次归零!

许晓勇 天问一号任务运载火箭系统专家

研制过程中的这种波折反复,从科学的角度来说是正常的,科学的大道上没有坦途。出现故障,寻找原因,再进行归零,再改进,然后再去验证,它本身就是一种科学的方法。

长征五号箭在弦上,依旧不能发射,发动机被召回。距离天问一号出发的日子只剩下1年多一点儿。如果火箭的问题不能解决,天问一号就有可能赶不上2020年的发射窗口,中国的行星探测计划将被迫推迟。

王维彬 天问一号任务运载火箭系统副总设计师

那个时候是一个新的转折点,就是在对那个现象做进一步分析的时候,才真正接近事情的真相。

在科学探索的道路上,并不总是一帆风顺,尤其是航天领域,这是一项充满高风险、极具挑战的事业。

王维彬 天问一号任务运载火箭系统副总设计师

这个过程特别曲折,一波三折,有时候觉得接近真相了,但是一实验又出问题了。

然而,经过几代航天人的接续奋斗,我国航天事业创造了以“两弹一星”、载人航天、月球探测为代表的辉煌成就,走出了一条自力更生、自主创新的发展道路,积淀了深厚博大的航天精神。这是支撑航天人愈挫愈勇的精神力量。

2019年7月31日,经过改进后的发动机再次试车。在之后的两个半月时间里,4台发动机,8次试车,八战八捷!

10月,长征五号遥三火箭通过出厂评审来到海南。

长征五号火箭出厂

2019年12月27日傍晚,一辆辆大轿车从海南航天城的大门鱼贯驶入,一群群观众从车上下来,来到指定的观看场。文昌航天发射中心是一个开放的航天发射基地,热爱中国航天的人们可以在这里见证伟大的时刻。

“5,4,3,2,1,点火!”

20点45分,长征五号遥三运载火箭点火,夜空仿佛被烧开了一个洞,浴火重生的“胖五”火箭飞上苍穹。

黄兵 天问一号任务运载火箭系统01指挥员

整个过程我们都死盯着那两条曾经让我们很难受的线,高度曲线和速度曲线完美贴合,直到最后,所以大家一直绷着,一直绷着一股劲,直到最后星箭分离,准确无误。

圆满成功!经历了908天的漫长等待,一群航天人走出了人生中的至暗时刻,他们打赢了中国新一代运载火箭的“翻身仗”。

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