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楊安琪 2019年11月01日

中國火箭事業在民間生根發芽。在一個相對封閉、神秘的領域,民營火箭公司們蓄勢待發。36 歲的張昌武期待一飛沖天,他創辦的藍箭航天會是中國的 SpaceX 嗎?

進入一家火箭公司之前,你需要知道一些注意事項: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入一家涉密單位。在電梯間貼著“國家秘密受法律保護”、“維護國家安全和利益”的海報。配合這種海報的是解放軍儀仗隊和萬里長城的圖片。

公司門口張貼出國家主席習近平的標語:“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參研參試人員代表時做出的表態。這被認為是中國最高領導人對航天事業給予的厚望。

午饭福利视频合集40但唯一不同的是,這里是一家中國民營火箭公司。

36歲的張昌武創立了藍箭航天。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載火箭研發能力的民營企業,從2015年中國商業航天政策破冰,藍箭成立到現在為止將近五年時間。

在過去的五年,張昌武認為藍箭做了三件事:首先通過藍箭在這個領域的探索,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務鏈條。

尤其是2018年藍箭組織發射了首枚民營運載火箭:朱雀一號。雖然發射在最后一個環節失利,但藍箭是國內第一家拿到中國民營運載火箭發射許可證的公司,也是最早取得行業全部準入資質的民營火箭企業,并且將能力鏈條、供應鏈條、體系鏈條以及發射鏈條四個鏈條全部打通的企業。

商業航天領域在2015年破冰,自此商業航天力量得到了迅猛發展。但在整個產業鏈環節,火箭研發制造賽道上的參賽者其實并不多,因為這個賽道的技術門檻很高。

朱雀

2018年10月27日16點00分,藍箭航天“朱雀一號”運載火箭在酒泉衛星發射中心發射升空。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,三級出現異常,搭載的未來號未能按照預定計劃入軌。

經數據判讀,火箭點火、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,三級主發動機點火后火箭飛行正常。

三級工作約37秒(對應總飛行時間402秒)后,主發動機工作正常,但姿態控制力異常、推進劑提前耗盡。經初步分析,懷疑末修姿控動力系統某推力室輸送管損壞導致控制力下降和推進劑泄漏。

張昌武并不認為這是一次失敗。相反,他認為,作為中國民營運載火箭首發,這樣的結果已經不容易,此次發射已經達到了關鍵技術驗證的目標。同時,從設計目標來看,“朱雀·南太湖號”只要豎在發射場,就已經是一種重大勝利。“在這背后,我們做了一系列重大工作,完成了包括與行業內監管部門一起推動民營航天的準入制度、許可申請、簡化發射流程等,這已經具有里程碑意義。”

午饭福利视频合集40商業航天最為關鍵的技術之一,就是航天發動機技術,這是火箭、空天飛行器的主要動力系統。以液體發動機為例,當前最前沿的技術是探索研制液氧甲烷發動機。隨著SpaceX公司的獵鷹9號火箭的第一級重復使用技術的成功實現,液體火箭發動機的單次任務可多次啟動和可在多次任務中使用的性能成為了工程師追求的目標。

相較于當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、比沖高(考驗燃料性能指標之一,比沖越高油耗越少)、不易結焦等優點,同時單位質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、可重復使用的最理想組合。有公開消息顯示,國家隊航天科技曾經在2016年成功完成液氧甲烷發動機項目的研究。

午饭福利视频合集40現在使用液氧甲烷火箭發動機的有美國SpaceX的猛禽下一代液氧甲烷發動機、美國藍色起源公司的BE-4液氧甲烷發動機、中國藍箭的天鵲液氧甲烷發動機。

天鵲

午饭福利视频合集40“天鵲”(TQ-12)是一臺80噸液氧甲烷發動機,這是藍箭的核心競爭力。雖然發動機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。這需要總裝設計師、工藝設計師、裝配人員通力合作。

作為一位合格的發動機總裝設計師,需要了解火箭總體對發動機的各項要求,同時也要深刻理解發動機系統和各組合件的工作原理及結構特殊性需求,熟練掌握并運用結構設計、仿真計算、材料工藝、制造裝配等知識和工具。從初始的構想到最終的產品,要經歷多次的設計、計算、溝通、協調、驗證、改進過程,反復迭代,達到性能、質量、成本和可靠性的完美平衡。

午饭福利视频合集40發動機需要為火箭提供推力矢量,技術方案可以采用泵前搖擺和泵后搖擺。傳統的發動機采用泵前搖擺方案,造成轉動慣量增加、重心偏移和各種作用力,給伺服機構帶來額外的載荷,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,但技術難度更大,藍箭航天的“天鵲”發動機已經突破相關技術,采用了先進的泵后搖擺。

午饭福利视频合集40同時,“天鵲”發動機還大量采用了模塊化的設計思路。傳統的液體火箭發動機裝配和拆卸基本以零組件為單位,裝配工藝復雜、裝配周期長、使用維護不便,不利于批量生產和維修更換,也不利于發動機的通用擴展。

午饭福利视频合集40通過創新的模塊化設計思路,“天鵲”發動機設計了各種不同的功能模塊,各個模塊可并行裝配、互換互用,輔以先進的數字化設計、裝配和制造技術,可大幅度提升裝配質量、縮短裝配周期。在此基礎上,再配備智能化裝配、測試設備,可進一步實現流水線生產模式,為未來發動機的大批量生產打下堅實的基礎。

午饭福利视频合集40同時,“天鵲”發動機的通用性和擴展性也得到了很大的提高。通過對基礎型發動機模塊的變化組合,可形成各種不同推力和搖擺方式的并聯發動機,適應各類型火箭的需求。發動機的絕大多數核心部件將實現通用,可大批量生產并充分考核,以大幅度降低發動機制造成本、提高可靠性。

午饭福利视频合集40設計思路搞定后,就是和裝配的銜接問題,雖說“天鵲”發動機采用的是模塊化的工藝設計,但總裝設計師們面對的可不僅僅是已經交付好的單機模塊拼接問題,而是要把發動機包括推力室、渦輪泵、閥門、總裝部件及管路、調節元件等上千個零部組件的空間相對位置精細的考慮清楚,并落實成圖紙。

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

“天鵲”發動機在設計過程中,采用了全三維數字化設計和計算機仿真技術來搞定圖紙的問題,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,甚至會發現多了幾個零件而不知道是哪里的;即便安上了,可能也會發現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,火箭發動機這樣一個復雜的系統就更不用說了。

午饭福利视频合集40任何一個火箭研制單位,都不敢忽視總裝環節,特別是發動機的裝配質量,直接影響著火箭發射的成敗。這是有血淚史的。

1999年11月15日,一枚日本H2型火箭發射升空后嚴重偏離軌道,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動機內部的配管破裂,導致氣體泄漏,使發動機停止工作的。

類似的事例有很多。可以說,當所有生產過程走到最后一步,所有零件都集合到一起的時候,裝配工人的雙手,就是決定火箭發動機質量的最后一步。

掌握發動機“命脈”的人

午饭福利视频合集40發動機產品結構復雜,特別是發動機上形狀各異的導管,是整個裝配的難點。如果發動機被稱為火箭的心臟,那么導管就是心臟上的血管,為發動機隨時輸送血液。

午饭福利视频合集40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致整個發射的失敗。所以,從某種程度上來說,負責發動機總裝的工程師們,是名副其實的掌握了發動機“命脈”的人。藍箭航天智能制造基地發動機生產部工程師彭武龍覺得,為發動機安裝導管無異于給心臟做了一次外科手術。

由于火箭總體對發動機空間有極其嚴格的限制,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,不與火箭的其他結構發生碰撞。

但是,發動機上的管路,絕大多數是金屬硬管而不是軟管,在裝配環節,工人必須通過導管的銼修,讓這些硬管精準的連在一起,并且嚴絲合縫。

午饭福利视频合集40傳統的導管裝配,一般首先要進行比試,也就是工人拿著導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。導管和接口的軸心是否一致,導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管長度合適,正好匹配導管兩端的接口……

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

由于每個裝配工的操作經驗和空間思維想象力的差異,在實際工作中,銼修導管的效率和銼修質量差異很大。

午饭福利视频合集40隨著技術的發展,數字化制造技術在發動機導管彎管工序得到應用,相比手工彎管,數字化制造的導管是按模型生產的,也就是都是一個模子里出來的,彎曲程度八九不離十,對導管銼修或校形要求更低。有利于后續裝配工作。而且,省去了取樣比試的過程,可以縮短裝配周期。

午饭福利视频合集40但盡管有數字化技術做支撐,導管的裝配依然是整個火箭發動機裝配中的最大難題之一,特別是一個新型號的發動機,在全無經驗的基礎上,研制人員需要做出比成熟發動機更為艱難的探索,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。一件產品,除了圖紙中規定的它需要有的零部件,任何東西出現在產品中都屬于多余物。小到頭發絲,加工時出現的毛刺,大到錘子、扳手、服裝……

午饭福利视频合集40很多時候,多余物不是故意放進去的,完全是因為粗心大意或者是徹頭徹尾的意外,甚至,對于火箭發動機進行檢測和吹除等非裝配工序,都有可能產生多余物。多余物,可以說是航天工程師們的“死敵”。歷史上慘痛的教訓,已然讓所有人都變得神經緊張。

1965年,美國“大力神”2型火箭由于在氧化劑進口處存在一個塑料螺帽而導致火箭在點火后未能起飛。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和擦拭布不慎遺留在發動機內,堵塞燃燒室噴嘴和水循環系統管道,導致星箭俱毀。1991年,因一碎片堵塞發動機管道,致使日本BS-2H通信衛星在高空爆炸。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、金屬碎片堵塞推進器液壓泵、堵塞燃料輸送管路等原因導致“質子號”和“聯盟號”兩個系列的運載火箭發生6次航天事故。

應對多余物的辦法之一,是加強現場管理。為此,各大火箭生產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,防止頭發掉落,也防止雜物和灰塵;每天對使用的工具都要進行點數;螺釘,用多少發多少,甚至有專門的盒子,按照大小專門放螺釘。女工程師不準化妝,一切首飾都不準戴;甚至,藍箭曾經有過為了防止頭發絲,車間全體剃光頭的故事。

總裝對于藍箭航天來說極具重要意義,既是研制計劃的一次堅實進步,同時也是商業航天公司在新的量級上實踐了一臺新型發動機的研制總裝流程。從裝配完成這一刻起,“天鵲”發動機將陸續迎接考驗,此前的一切成果,都會在這里得到證明。

午饭福利视频合集40按照張昌武的計劃,2021年藍箭航天將有可能將貨物送到月球。人類會因為這家中國公司而變得不同嗎?可能只有時間會給出答案。(財富中文網)

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