揭秘嫦娥4號登陸月背關鍵裝備：變推力發動機

據《西安日報》2月17日報道，今年春節期間，被稱為中國硬科技科幻大片的《流浪地球》熱映。電影中太陽即將毀滅，人類在地球表面建造出1萬多個巨大“行星發動機”，推動地球尋找新的家園。如同電影裏展現的一樣，“發動機”是人類探索太空的關鍵技術之一。推動地球移動的發動機，對於目前人類科技而言只能是“科幻”；但在前不久圓滿完成的“嫦娥四號”工程任務中，美麗的嫦娥“四姑娘”代表地球上居住的75億人類，第一次登上月球背面，卻是我們這個時代太空技術發展高度的標誌性成果之一。

嫦娥四號 圖丨@新華視點

然而，又有誰知道，“四姑娘”這次人類歷史上首次月背之旅，多虧她穿上了一雙神奇的太空“舞鞋”——“嫦娥四號”變推力發動機。而變推力發動機的研製單位，就是位於西安的中國航天科技集團六院。

打造量身定製的太空“舞鞋”

2018年12月8日，從長征三號乙運載火箭上脱離後，“嫦娥四號”便信心滿滿，開始了她的太空“曼舞”。她知道，此去征程路遙遙，長達42萬公里。

飛過漫長的旅途，“四姑娘”用一腳精準的“剎車”，成功被月球捕獲，正式登上表演的“舞台”。動力下降、減速調姿、懸停避障……“嫦娥四號”穿上一雙量身定製的“舞鞋”——7500N變推力發動機，時而“輕手輕腳”，時而“開足馬力”……“四姑娘”在太空中一系列變換“舞姿”的動作，瀟灑自如。

然而，鮮有人知道，這雙量身定做的“舞鞋”出自中國航天科技集團六院變推力發動機研製團隊成員之手。有媒體這樣形容7500N變推力發動機的表現，既“推得精、飛得穩”，又“變得妙、落得準”。

值得一提的是，這雙“舞鞋”最早“穿”在嫦娥三號的“腳”上。“三姑娘”是我國第一個在月球表面實現軟着陸的探測器。落月過程要求發動機具備深度節流能力，能夠實現多種推力工況的快速變化。7500N變推力發動機的研製，正是為了圓“三姑娘”的“探月夢”。

嫦娥四號落月軟着陸瞬間

和“嫦娥三號”相比，“四姑娘”要實現世界上首次在月球背面着陸，環境更復雜，對發動機的要求也更嚴苛。“嫦娥四號”的這雙“舞鞋”，不僅要更“漂亮”，性能也要實現新提高。而令“四姑娘”感到非常幸運的是，這一次穿在她腳上的這雙舞鞋，真正地達到了要求：發動機外觀塗層更美觀，使用壽命更長；衡量發動機性能的指標——比衝，從原來的308秒提高到310秒。

看似不起眼的塗層和2秒鐘的差距，這背後體現了六院變推力研製團隊精益求精的態度。在產品的質量複查單上，200多根導管、400多條焊縫管路、400多處螺釘連接都要做到精細化處理。為了讓運動部件配合更加準確，研製團隊將零件加工精度提高到0.005毫米。

變推力發動機主任設計師蘭曉輝依然記得，在一次對即將交付產品的電性能測試中，有一個電磁閥開啓時間超出了設計要求的幾毫秒。儘管交付在即，為了達到“滿分”標準，團隊成員還是將產品重新拆卸、查找問題根源，最終成功解決問題。而他們所做的這一切，只為讓“嫦娥四號”能在險象環生、環境複雜的太空上演最美的“舞姿”，以最穩健的方式實現月背落月的目標。

十餘載艱難跋涉 攻克技術難關

其實，這雙“舞鞋”的研製之路，早在2006年已經開啓。當時，“嫦娥三號”動力系統“最後一棒”的重任，落到了中國航天科技集團六院變推力發動機研製團隊的手中。面對一無經驗、二無材料的窘境，他們決定依靠自主創新，研發國產變推力發動機，解決“嫦娥三號”的動力問題。更為棘手的是，這雙“舞鞋”要求5年內完成交付。而常規情況下，從論證設計到產品交付，研製一種新發動機至少需要10年時間。時間緊、任務重，研發團隊的壓力可想而知。

接到7500N變推力發動機研製任務之前，蘭曉輝多年從事運載火箭三級發動機二次啓動研製工作。外人看來，高空發動機與變推力發動機有着多次啓動、高工況工作的共同特點。但從專業角度來説，二者一個是固定推力、一個是變推力；結構設計方面，一個是固定部件、一個是活動部件，可謂天差地別。

變推力發動機可行性研製論證任務，對蘭曉輝及其團隊而言是一道從未有過的難題。他們既面臨着國內從未有任何變推力發動機研製經驗、國外資料嚴重封鎖無可借鑑的多種困難。變推力發動機研製，由於先天不足，從一開始就面臨着山重水複疑無路的重重困難。而一旦不能在任務進度節點上攻克難關，還面臨着研製立項化為泡影的威脅。

在重重困難面前，蘭曉輝帶領研製團隊艱難起步，以螞蟻啃骨頭的精神，挖掘現有的發動機基礎理論和相關技術，確定發動機各項設計目標，對各個部組件進行多方案論證，理順各個方案組合的可行性。發動機温度過高、性能低、推力室燒穿，都是家常便飯。為了解決接踵而來的難題，研製團隊不斷迸發出新的智慧，在產品改進的同時，開發了發動機性能仿真計算、熱環境仿真試驗等軟件，加快了研製進度，不僅成功實現了研製立項，還節約了一筆不小的研製經費。

2008年4月，600秒長時間變推力發動機可靠性試車的成功，標誌着該發動機關鍵技術得到全面突破，轉入工程研製。然而，新的難題又紛至沓來。難度最大的是應探測器設計要求，在發動機周圍採取隔熱的方式進行熱防護。這對發動機自身冷卻提出了極為嚴苛的要求，不僅要求推力室壁耐高温能力強，還要儘量讓燃燒室降低温度，提高燃燒效率，兩者幾乎是悖論。蘭曉輝帶領團隊提出了創新的冷卻方式，使該發動機在性能和冷卻技術方面均達到國際先進水平，圓滿解決了這一難題。

2011年底，當7500N變推力發動機連續8台可靠性試車全部獲得成功，研製團隊緊繃的神經，總算稍稍放鬆。

然而，到了“首秀”的那一天，蘭曉輝又緊張地“捏着一把汗”。探測器要在飛行至月球100公里高度時進行“緊急剎車”。然而，遙測數據傳回地面飛控中心有數秒鐘的延遲，一旦有任何失誤，探測器就會飛離軌道。好在發動機開機點火的信號準時傳回地面，“三姑娘”腳踏“舞鞋”，“舞步”精準又柔美。

5年之後，美麗的“四姑娘”再次懷抱月球車，在天宇劃出一道美妙的弧線。身姿婀娜曼妙，亮相儀態萬方，讓時刻關注“嫦娥四號”落月動態的六院研製團隊喜極而泣。所有的艱難跋涉，在這一刻幻化成了幸福的淚水。

（楊斌鵠）