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新火箭方程式

新火箭方程式

楊安琪 2019-11-01
中國火箭事業(yè)在民間生根發(fā)芽。在一個相對封閉、神秘的領(lǐng)域,民營火箭公司們蓄勢待發(fā)。36 歲的張昌武期待一飛沖天,他創(chuàng)辦的藍(lán)箭航天會是中國的 SpaceX 嗎?

進(jìn)入一家火箭公司之前,你需要知道一些注意事項(xiàng):這里是中國國家二級涉密單位,不能拍照,也禁止與工程師們交談。這里無時無刻不在提醒你進(jìn)入一家涉密單位。在電梯間貼著“國家秘密受法律保護(hù)”、“維護(hù)國家安全和利益”的海報(bào)。配合這種海報(bào)的是解放軍儀仗隊(duì)和萬里長城的圖片。

公司門口張貼出國家主席習(xí)近平的標(biāo)語:“星空浩瀚無比,探索永無止境”。這是他在2016年6月會見探月工程嫦娥四號任務(wù)參研參試人員代表時做出的表態(tài)。這被認(rèn)為是中國最高領(lǐng)導(dǎo)人對航天事業(yè)給予的厚望。

但唯一不同的是,這里是一家中國民營火箭公司。

36歲的張昌武創(chuàng)立了藍(lán)箭航天。這家公司成立于2015年6月,是中國唯一一家具備液體燃料運(yùn)載火箭研發(fā)能力的民營企業(yè),從2015年中國商業(yè)航天政策破冰,藍(lán)箭成立到現(xiàn)在為止將近五年時間。

在過去的五年,張昌武認(rèn)為藍(lán)箭做了三件事:首先通過藍(lán)箭在這個領(lǐng)域的探索,摸出了一條道路,并且指明了方向,中國民營火箭這條路是通的,無論是研制還是配套的業(yè)務(wù)鏈條。

尤其是2018年藍(lán)箭組織發(fā)射了首枚民營運(yùn)載火箭:朱雀一號。雖然發(fā)射在最后一個環(huán)節(jié)失利,但藍(lán)箭是國內(nèi)第一家拿到中國民營運(yùn)載火箭發(fā)射許可證的公司,也是最早取得行業(yè)全部準(zhǔn)入資質(zhì)的民營火箭企業(yè),并且將能力鏈條、供應(yīng)鏈條、體系鏈條以及發(fā)射鏈條四個鏈條全部打通的企業(yè)。

商業(yè)航天領(lǐng)域在2015年破冰,自此商業(yè)航天力量得到了迅猛發(fā)展。但在整個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),火箭研發(fā)制造賽道上的參賽者其實(shí)并不多,因?yàn)檫@個賽道的技術(shù)門檻很高。

朱雀

2018年10月27日16點(diǎn)00分,藍(lán)箭航天“朱雀一號”運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。飛行全過程中,“朱雀一號”最大飛行高度337千米,最快速度6,300米/秒。

遺憾的是,在升空402秒后,三級出現(xiàn)異常,搭載的未來號未能按照預(yù)定計(jì)劃入軌。

經(jīng)數(shù)據(jù)判讀,火箭點(diǎn)火、起飛正常,一級飛行正常,一二級分離正常,二級飛行正常,二三級分離正常,整流罩分離正常,三級滑行段飛行正常,三級主發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后火箭飛行正常。

三級工作約37秒(對應(yīng)總飛行時間402秒)后,主發(fā)動機(jī)工作正常,但姿態(tài)控制力異常、推進(jìn)劑提前耗盡。經(jīng)初步分析,懷疑末修姿控動力系統(tǒng)某推力室輸送管損壞導(dǎo)致控制力下降和推進(jìn)劑泄漏。

張昌武并不認(rèn)為這是一次失敗。相反,他認(rèn)為,作為中國民營運(yùn)載火箭首發(fā),這樣的結(jié)果已經(jīng)不容易,此次發(fā)射已經(jīng)達(dá)到了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的目標(biāo)。同時,從設(shè)計(jì)目標(biāo)來看,“朱雀·南太湖號”只要豎在發(fā)射場,就已經(jīng)是一種重大勝利?!霸谶@背后,我們做了一系列重大工作,完成了包括與行業(yè)內(nèi)監(jiān)管部門一起推動民營航天的準(zhǔn)入制度、許可申請、簡化發(fā)射流程等,這已經(jīng)具有里程碑意義?!?/p>

商業(yè)航天最為關(guān)鍵的技術(shù)之一,就是航天發(fā)動機(jī)技術(shù),這是火箭、空天飛行器的主要動力系統(tǒng)。以液體發(fā)動機(jī)為例,當(dāng)前最前沿的技術(shù)是探索研制液氧甲烷發(fā)動機(jī)。隨著SpaceX公司的獵鷹9號火箭的第一級重復(fù)使用技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn),液體火箭發(fā)動機(jī)的單次任務(wù)可多次啟動和可在多次任務(wù)中使用的性能成為了工程師追求的目標(biāo)。

相較于當(dāng)前主流的液氧煤油和液氫液氧兩個組合,液氧甲烷具有冷卻能力強(qiáng)、比沖高(考驗(yàn)燃料性能指標(biāo)之一,比沖越高油耗越少)、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn),同時單位質(zhì)量燃料的成本只有煤油的1/3和液氫的1/30。這種特性使得液氧甲烷成為推動火箭、空天飛行器低成本、可重復(fù)使用的最理想組合。有公開消息顯示,國家隊(duì)航天科技曾經(jīng)在2016年成功完成液氧甲烷發(fā)動機(jī)項(xiàng)目的研究。

現(xiàn)在使用液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)的有美國SpaceX的猛禽下一代液氧甲烷發(fā)動機(jī)、美國藍(lán)色起源公司的BE-4液氧甲烷發(fā)動機(jī)、中國藍(lán)箭的天鵲液氧甲烷發(fā)動機(jī)。

天鵲

“天鵲”(TQ-12)是一臺80噸液氧甲烷發(fā)動機(jī),這是藍(lán)箭的核心競爭力。雖然發(fā)動機(jī)只是火箭的一個部分,但想把它成功的組裝在一起可不是一件容易的事。這需要總裝設(shè)計(jì)師、工藝設(shè)計(jì)師、裝配人員通力合作。

作為一位合格的發(fā)動機(jī)總裝設(shè)計(jì)師,需要了解火箭總體對發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)要求,同時也要深刻理解發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和各組合件的工作原理及結(jié)構(gòu)特殊性需求,熟練掌握并運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算、材料工藝、制造裝配等知識和工具。從初始的構(gòu)想到最終的產(chǎn)品,要經(jīng)歷多次的設(shè)計(jì)、計(jì)算、溝通、協(xié)調(diào)、驗(yàn)證、改進(jìn)過程,反復(fù)迭代,達(dá)到性能、質(zhì)量、成本和可靠性的完美平衡。

發(fā)動機(jī)需要為火箭提供推力矢量,技術(shù)方案可以采用泵前搖擺和泵后搖擺。傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)采用泵前搖擺方案,造成轉(zhuǎn)動慣量增加、重心偏移和各種作用力,給伺服機(jī)構(gòu)帶來額外的載荷,增加了火箭控制的難度和成本。而泵后搖擺方案,則能很好地解決這些問題,但技術(shù)難度更大,藍(lán)箭航天的“天鵲”發(fā)動機(jī)已經(jīng)突破相關(guān)技術(shù),采用了先進(jìn)的泵后搖擺。

同時,“天鵲”發(fā)動機(jī)還大量采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機(jī)裝配和拆卸基本以零組件為單位,裝配工藝復(fù)雜、裝配周期長、使用維護(hù)不便,不利于批量生產(chǎn)和維修更換,也不利于發(fā)動機(jī)的通用擴(kuò)展。

通過創(chuàng)新的模塊化設(shè)計(jì)思路,“天鵲”發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)了各種不同的功能模塊,各個模塊可并行裝配、互換互用,輔以先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、裝配和制造技術(shù),可大幅度提升裝配質(zhì)量、縮短裝配周期。在此基礎(chǔ)上,再配備智能化裝配、測試設(shè)備,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)模式,為未來發(fā)動機(jī)的大批量生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

同時,“天鵲”發(fā)動機(jī)的通用性和擴(kuò)展性也得到了很大的提高。通過對基礎(chǔ)型發(fā)動機(jī)模塊的變化組合,可形成各種不同推力和搖擺方式的并聯(lián)發(fā)動機(jī),適應(yīng)各類型火箭的需求。發(fā)動機(jī)的絕大多數(shù)核心部件將實(shí)現(xiàn)通用,可大批量生產(chǎn)并充分考核,以大幅度降低發(fā)動機(jī)制造成本、提高可靠性。

設(shè)計(jì)思路搞定后,就是和裝配的銜接問題,雖說“天鵲”發(fā)動機(jī)采用的是模塊化的工藝設(shè)計(jì),但總裝設(shè)計(jì)師們面對的可不僅僅是已經(jīng)交付好的單機(jī)模塊拼接問題,而是要把發(fā)動機(jī)包括推力室、渦輪泵、閥門、總裝部件及管路、調(diào)節(jié)元件等上千個零部組件的空間相對位置精細(xì)的考慮清楚,并落實(shí)成圖紙。

這些圖紙將會成為后續(xù)工藝人員和工人裝配的依據(jù)。但再精細(xì)的圖紙,也不可能避免出現(xiàn)問題,零件的空間位置關(guān)系是否到位,極有可能要到總裝階段才能驗(yàn)證。

“天鵲”發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)過程中,采用了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來搞定圖紙的問題,但圖紙并不是萬能的,就像你極其順利地拆了一個鬧鐘,卻無論如何都無法把它按照原樣安裝回去,甚至?xí)l(fā)現(xiàn)多了幾個零件而不知道是哪里的;即便安上了,可能也會發(fā)現(xiàn)鬧鐘總是不如原來的好用。這就是裝配時出了問題。一個小小的鬧鐘尚且如此,火箭發(fā)動機(jī)這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)就更不用說了。

任何一個火箭研制單位,都不敢忽視總裝環(huán)節(jié),特別是發(fā)動機(jī)的裝配質(zhì)量,直接影響著火箭發(fā)射的成敗。這是有血淚史的。

1999年11月15日,一枚日本H2型火箭發(fā)射升空后嚴(yán)重偏離軌道,在無法挽救的情況下,地面控制中心通過遙控將其引爆。這次失敗是由于第一級發(fā)動機(jī)內(nèi)部的配管破裂,導(dǎo)致氣體泄漏,使發(fā)動機(jī)停止工作的。

類似的事例有很多。可以說,當(dāng)所有生產(chǎn)過程走到最后一步,所有零件都集合到一起的時候,裝配工人的雙手,就是決定火箭發(fā)動機(jī)質(zhì)量的最后一步。

掌握發(fā)動機(jī)“命脈”的人

發(fā)動機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特別是發(fā)動機(jī)上形狀各異的導(dǎo)管,是整個裝配的難點(diǎn)。如果發(fā)動機(jī)被稱為火箭的心臟,那么導(dǎo)管就是心臟上的血管,為發(fā)動機(jī)隨時輸送血液。

任何一根管子的泄漏或破裂都會對火箭造成重大影響甚至導(dǎo)致整個發(fā)射的失敗。所以,從某種程度上來說,負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)總裝的工程師們,是名副其實(shí)的掌握了發(fā)動機(jī)“命脈”的人。藍(lán)箭航天智能制造基地發(fā)動機(jī)生產(chǎn)部工程師彭武龍覺得,為發(fā)動機(jī)安裝導(dǎo)管無異于給心臟做了一次外科手術(shù)。

由于火箭總體對發(fā)動機(jī)空間有極其嚴(yán)格的限制,這些管路不能像樹枝一樣隨意生長,而是必須依照總體要求,彎曲成不同的形狀,這樣才能保證在飛行過程中,不與火箭的其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。

但是,發(fā)動機(jī)上的管路,絕大多數(shù)是金屬硬管而不是軟管,在裝配環(huán)節(jié),工人必須通過導(dǎo)管的銼修,讓這些硬管精準(zhǔn)的連在一起,并且嚴(yán)絲合縫。

傳統(tǒng)的導(dǎo)管裝配,一般首先要進(jìn)行比試,也就是工人拿著導(dǎo)管到需要裝配的位置比量一下,別小看這個步驟,一般人還真做不好它。導(dǎo)管和接口的軸心是否一致,導(dǎo)管的空間位置和間隙是否符合要求,在哪里鋸切才能保證導(dǎo)管長度合適,正好匹配導(dǎo)管兩端的接口……

如果不合適,那么就要重新進(jìn)行導(dǎo)管的校正,沒有多年的工作經(jīng)驗(yàn),是沒辦法迅速判斷出來的。只有比試合格,裝配工才敢對導(dǎo)管進(jìn)行截取和切割,也才能開始后續(xù)的對接、焊接工作。

由于每個裝配工的操作經(jīng)驗(yàn)和空間思維想象力的差異,在實(shí)際工作中,銼修導(dǎo)管的效率和銼修質(zhì)量差異很大。

隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化制造技術(shù)在發(fā)動機(jī)導(dǎo)管彎管工序得到應(yīng)用,相比手工彎管,數(shù)字化制造的導(dǎo)管是按模型生產(chǎn)的,也就是都是一個模子里出來的,彎曲程度八九不離十,對導(dǎo)管銼修或校形要求更低。有利于后續(xù)裝配工作。而且,省去了取樣比試的過程,可以縮短裝配周期。

但盡管有數(shù)字化技術(shù)做支撐,導(dǎo)管的裝配依然是整個火箭發(fā)動機(jī)裝配中的最大難題之一,特別是一個新型號的發(fā)動機(jī),在全無經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研制人員需要做出比成熟發(fā)動機(jī)更為艱難的探索,才能形成一套合適的裝配流程。

一個都不能“多”

多余物是一個很有意思的名字,它并不是專指某一種東西的,而是一個相對的概念。一件產(chǎn)品,除了圖紙中規(guī)定的它需要有的零部件,任何東西出現(xiàn)在產(chǎn)品中都屬于多余物。小到頭發(fā)絲,加工時出現(xiàn)的毛刺,大到錘子、扳手、服裝……

很多時候,多余物不是故意放進(jìn)去的,完全是因?yàn)榇中拇笠饣蛘呤菑仡^徹尾的意外,甚至,對于火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行檢測和吹除等非裝配工序,都有可能產(chǎn)生多余物。多余物,可以說是航天工程師們的“死敵”。歷史上慘痛的教訓(xùn),已然讓所有人都變得神經(jīng)緊張。

1965年,美國“大力神”2型火箭由于在氧化劑進(jìn)口處存在一個塑料螺帽而導(dǎo)致火箭在點(diǎn)火后未能起飛。1980年和1990年,歐洲空間局的阿麗亞娜火箭分別由于零部件商標(biāo)和擦拭布不慎遺留在發(fā)動機(jī)內(nèi),堵塞燃燒室噴嘴和水循環(huán)系統(tǒng)管道,導(dǎo)致星箭俱毀。1991年,因一碎片堵塞發(fā)動機(jī)管道,致使日本BS-2H通信衛(wèi)星在高空爆炸。俄羅斯分別在1999年、2002年、2006年、2007年、2011年和2012年由于金屬碎片被吸入渦輪泵、金屬碎片堵塞推進(jìn)器液壓泵、堵塞燃料輸送管路等原因?qū)е隆百|(zhì)子號”和“聯(lián)盟號”兩個系列的運(yùn)載火箭發(fā)生6次航天事故。

應(yīng)對多余物的辦法之一,是加強(qiáng)現(xiàn)場管理。為此,各大火箭生產(chǎn)單位對裝配過程提出了各種各樣的要求,比如,工人要穿定制工服、戴帽子,防止頭發(fā)掉落,也防止雜物和灰塵;每天對使用的工具都要進(jìn)行點(diǎn)數(shù);螺釘,用多少發(fā)多少,甚至有專門的盒子,按照大小專門放螺釘。女工程師不準(zhǔn)化妝,一切首飾都不準(zhǔn)戴;甚至,藍(lán)箭曾經(jīng)有過為了防止頭發(fā)絲,車間全體剃光頭的故事。

總裝對于藍(lán)箭航天來說極具重要意義,既是研制計(jì)劃的一次堅(jiān)實(shí)進(jìn)步,同時也是商業(yè)航天公司在新的量級上實(shí)踐了一臺新型發(fā)動機(jī)的研制總裝流程。從裝配完成這一刻起,“天鵲”發(fā)動機(jī)將陸續(xù)迎接考驗(yàn),此前的一切成果,都會在這里得到證明。

按照張昌武的計(jì)劃,2021年藍(lán)箭航天將有可能將貨物送到月球。人類會因?yàn)檫@家中國公司而變得不同嗎?可能只有時間會給出答案。(財(cái)富中文網(wǎng))

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