为“嫦娥”登月架起天梯

    ——嫦娥三号7500牛变推力发动机主任设计师兰晓辉的故事

    本报通讯员 张平 本报记者 付毅飞

    ■科星灿烂

    2013年12月14日晚，嫦娥三号月球探测器在天宇划出美妙的弧线，稳稳落在月面。兰晓辉坐在北京航天飞行控制中心大厅，喉咙轻轻蠕动几下，舒了一口气。

    作为嫦娥三号7500牛变推力发动机主任设计师，兰晓辉的心里早已被这次任务填满。尤其在进驻西昌做发射前检查准备的三个多月，他不时将发动机的各项参数、性能、状态盘算一遍。压力很大，他无暇顾及其他事，直到嫦娥三号以最理想、最完美的方式实现了任务计划。

    2006年，中国航天科技集团公司六院开始组织变推力发动机前期论证。兰晓辉所在的六院11所变推力发动机研制团队经数年艰苦鏖战，攻克了一系列关键技术和核心技术难关，为“嫦娥”登月架起天梯。

    天赐良机 填补空白

    从事航天液体动力事业20多年的兰晓辉，是我国高空发动机专业技术领域的专家。接到7500牛变推力发动机研制任务之前，他多年从事运载火箭三级发动机二次启动研制工作。

    外人看来，高空发动机与变推力发动机有着多次启动、高工况工作的共同特点。但从专业角度来说，二者一个是固定推力，一个是变推力；结构设计方面一个是固定部件，一个是活动部件。简直是天壤之别。2006年以前，兰晓辉对变推力发动机的认识只限于原理学习。

    变推力发动机可行性研制论证任务，对兰晓辉而言是一道难题。不过在他看来，借此任务牵引，填补我国变推力发动机的研制空白，这是天赐良机。

    此时，他面临着：国内从未有任何变推力发动机研制经验，国外资料严重封锁无可借鉴，落月方案尚存争议。该发动机的关键技术必须尽快解决，否则研制立项将会化为泡影。兰晓辉带领着不到10个人的研制团队艰难起步，以蚂蚁啃骨头的精神，挖掘现有的发动机基础理论和相关技术，实现新的研制要求。首要任务是确定发动机各项设计目标，对各个部组件进行多方案论证，理顺各个方案组合的可行性。为此，他们开展了大量试验。

    前期的试验基本都在失败中结束。发动机温度过高、性能低、推力室烧穿，都是家常便饭。磕磕碰碰中，研制团队不断迸发出新的智慧，在产品改进的同时，开发了发动机性能仿真计算、热环境仿真试验等软件，加快了研制进度，并节约了研制经费。

    2007年底，7500牛发动机基本方案定了下来。2008年4月，600秒长时间可靠性试车的完成，标志着该发动机关键技术得到全面突破，转入工程研制。

    兰晓辉这样形容当时的感受：就像在大山里迷路的孩子，终于走了出来，但回家的路还很长。

    “嫦娥”舒袖 要闯多关

    38万公里的奔月之路，预示着发动机要长期在轨运行，但其所处的真空环境温差近200摄氏度，尤其在低温环境下怎样保持稳定工作，是研制团队必须面对的问题。

    “7500牛发动机在探测器底部，即使阳光照射探测器时，它的温度依然很低。”兰晓辉说，发动机内部构造基本是活动件，依次咬合在一起。如果发生空间冷焊现象或是极度低温导致点火启动出现问题，后果不堪设想。

    在发射飞行的高强度震动中，发动机零部组件一旦发生震裂或结构破坏，所有研制成果就要付之一炬。这也令研制团队十分担忧。

    难度最大的是应探测器设计要求，在发动机周围采取隔热的方式进行热防护。这对发动机自身冷却提出了极为严苛的要求，不仅要求推力室壁耐高温能力强，还要尽量让燃烧室降低温度，提高燃烧效率，两者几乎是悖论。兰晓辉提出了创新的冷却方式，使该发动机在性能和冷却技术方面均达到国际先进水平，圆满解决了这一难题。

    为确保发动机的可靠性，试验台上会把发动机的工作时间延长几倍，将空间环境模拟得更为严峻，使每个零部组件的耐温、耐压、耐磨等性能受到严格考验。2011年6月至10月，7500牛变推力发动机连续8台可靠性试车全部获得成功，单次长程试车达到4000秒以上。同时探月着陆器地面悬停试验七战七捷，完美证明了该发动机担当重任的能力。

    成功“交卷” 完美首秀

    嫦娥三号发射时也是兰晓辉“交卷”的时刻。

    从地月转移飞行，到月面关机软着陆，十多天时间里，7500牛变推力发动机俯仰调姿、制动变轨，时而“轻手轻脚”，时而“铆足马力”，时而“凝神静思”，帮助“嫦娥”不断变换“舞姿”，最终轻盈落月。

    “就像开车，该减速时要刹得住，该加速时要一脚踩住油门。”兰晓辉讲述发动机特点时，会被自己的戏谑逗得开怀大笑。

    但在任务执行过程中，他着实捏着一把汗。嫦娥三号飞至距月球100公里高度时，变推力发动机要进行刹车制动，使其被月球引力捕获。要完成该动作，时间节点的掌握和发动机工作可靠性十分关键，此前已有国外探月活动在这个环节出现纰漏，导致任务功亏一篑的先例。

    由于遥测数据传回控制大厅会有几秒的延迟，任务指挥部发出指令后，实时数据并未显示发动机开机。对于用秒来判读数据的专家们来说，这无疑是一段备受煎熬的“黑色时间”。“该想的都想到了，该做的也都做了，再出问题只能是残余风险，应该不会。”兰晓辉在心里对自己说。几秒钟后，发动机开机点火的信号传到了大厅。