助力“三姑娘”輕盈落月的秘密

□ 秦川

2013年12月14日21時11分，嫦娥三號飛越38萬千米征程，在天宇劃出一條美麗的弧線后，輕盈地落在月面上。至此，中國成為繼美蘇后第三個實現月面軟著陸國家。

從一飛沖天到地月轉移、近月制動、環月飛行，再到輕盈落月，嫦娥三號在7500牛變推力發動機等組成的動力系統的精準支撐下，順利完成了“地月之旅”。

7500牛變推力發動機首秀

12月14日20時30分，“嫦娥三號”在近月點高度約15千米、遠月點高度約100千米的橢圓軌道上穩定運行。北京航天飛行控制中心向其發送指令，嫦娥三號調整姿態，收攏太陽翼，做好降落準備。

從15千米高度降至月球表面，這驚心動魄的12分鐘被稱為“黑色12分鐘”。這期間，人工干預的可能性幾乎為零。

12月14日21時整，嫦娥三號從月面上方約15千米處開始實施動力下降。3000米，2400米，2000米，1000米……在7500牛變推力發動機的反推作用下，嫦娥三號緩緩下降，距月面越來越近。100米，50米，20米，5米……在距離月面4米時，7500牛變推力發動機關機，嫦娥三號相對月面速度接近為零，穩穩懸停在月球上空。

“在月球表面能否實現軟著陸，是嫦娥三號任務關鍵中的關鍵，落月過程發動機推力變化很大，是整個動力系統研制的難點所在。”火箭發動機專家、中國航天科技集團公司第六研究院院長譚永華說。

2013年12月14日20時59分52秒，嫦娥三號月球探測器從高度15千米的近月點實施動力下降，整個過程約720秒

為使嫦娥三號邁出親密接觸月球的第一步，中國航天科技集團公司第六研究院（簡稱“航天六院”）為其量身訂制了7500牛變推力發動機，這也是我國首臺具備大范圍變推力工作能力的液體發動機。

此次嫦娥三號任務，7500牛發動機是首次運用于探測器上。7500牛變推力發動機從地月轉移飛行即開始工作，完成兩次中途修正。轉入環月飛行后，嫦娥三號在距月面100千米高度進行制動。在近月15千米左右時，變推力發動機開始根據即時速度不斷調整推力指令執行下降工作，15千米到2千米高度完成主減速和姿態調整，2千米到100米高度緩慢下降，探測器要在下降中隨時懸停，識別并避開大的月面障礙，100米到4米高度開始避開小的月面障礙，緩慢下降到4米后實施軟著陸。

嫦娥三號月球探測器落月過程

2013年12月1日下午5時，靜臥在勤務塔中的嫦娥三號

精心打造嫦娥三號動力

位于西安航天基地的航天六院，是我國唯一集運載火箭主動力系統，軌姿控動力系統及空間飛行器推進系統研究、設計、生產、試驗為一體的專業研究院，幾年前，他們義無反顧地接過了嫦娥三號動力系統的研制重任。

嫦娥三號此次月面軟著陸是在真空環境下進行，不能利用大氣摩擦實現減速。只有研制變推力發動機，才能滿足探測器中途修正、近月制動和動力下降等。與嫦娥一號、二號相比，嫦娥三號推進分系統是一個全新的動力系統。它由1臺7500牛變推力發動機和若干臺姿控發動機組成。研制難度、技術與控制精度要求之高前所未有。

據介紹，動力系統在以7500牛狀態工作時，7500牛發動機追求性能最優；在1500牛～5000牛工作時，要確保任意推力可調的絕對可靠。在探測器奔月過程中，7500牛發動機要經過點火，為探測器校正軌道，驗證發動機能否正常工作；抵達近月點時再次點火，推動探測器變軌，使其進入環月軌道。

落月時，7500牛發動機根據預定設計，進行變推力調節工作，這就要求發動機必須靈活地調節動力，讓探測器平穩地落到月面，落月過程須自主完成不受地面控制，發動機經受的考驗無疑是巨大的。

常規情況下，從論證設計到產品交付，研制一種新型發動機至少需要10年時間。7500牛變推力發動機5年即交付，產品質量如何保證？人們可以從一張質量復查單中找到“蛛絲馬跡”：著陸器推進分系統200多根導管、400多條焊縫管路、400多處螺釘連接部位，活接頭部位近100處……單從這些可精確追溯到每一個人的數字里，就能看出航天六院在管控質量方面所下功夫之深。

7500牛變推力發動機如何煉成

一般衛星的發動機最大推力只有490牛，神舟系列載人飛船發動機的推力也只有2500牛，由此看出7500牛發動機與以往航天器上的發動機相比絕對是個“大家伙”。

7500牛發動機的研制難度不僅僅是推力的大幅增加，更大的難度是要突破大范圍變推力、高精度控制、高性能長壽命等關鍵技術。只有攻克了這些關鍵技術，才能為探測器中途修正、近月制動、落月軟著陸等提供安全保障。其研制難度也是美俄等航天強國公認的。

在多年的研制過程中，發動機的相關試驗就進行了100多次，點火試驗累計達到6萬多秒，就是為了發動機在軌工作的1200秒不出任何問題。

研制7500牛發動機經歷了太多坎坷。首先的難關就是控制質量。這么大推力，為了追求高性能，研制人員都希望能把發動機噴管做得大些。然而受到質量、結構尺寸等條件限制，發動機設計上必須進行綜合優化。由于探測器上有為完成落月動作而設計的“四條腿”，即著陸緩沖系統。如果發動機設計在探測器的下方，勢必要把“著陸腿”加長，而這樣，又容易帶來著陸不穩等新問題。

其次，發動機工作時，需要對外大量散熱。為了不影響探測器上儀器設備的正常工作，必須用隔熱屏隔熱，但這又會影響到發動機的散熱，使發動機的可靠性受到影響。因此，研制人員只能煞費苦心地通過優化設計、試驗驗證、設計改進來一步步解決這一難題。

另外，發動機推力室噴管采用特殊合金材料，內、外涂高溫抗氧化劑涂層，壁身最薄處僅零點幾毫米。由于噴管為變壁厚、變型面的特型結構，為了確保噴管型面的精確，采用了整體成型、整體加工的方式，堪稱科技與工藝的完美結合。

譚永華說：“探月工程繞、落、回三步走的任務，我們已經完成了前兩項，如何保證中國的月球探測器能夠安全返回地球，我們正在對動力系統實施研制攻關。不久的將來，我們還要實現載人登月的夢想，對航天六院人來說，更加任重道遠。”