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嫦娥六號探測任務(wu)是(shi)人類第一次在月球背(bei)面(mian)取(qu)樣,是(shi)我國航(hang)天(tian)集成度最高的一次任務(wu),也是(shi)世界航(hang)天(tian)史(shi)上的重要里程(cheng)碑。在這次任務(wu)中(zhong),采用了107臺發動機(ji),而且都(dou)是(shi)液(ye)體火箭(jian)發動機(ji)。
一般(ban)來說,運輸器發動機(ji)數(shu)量是比(bi)較少(shao)的(de),比(bi)如說汽車是一臺(tai)發動機(ji),飛機(ji)發動機(ji)一般(ban)不(bu)超過四臺(tai),而嫦娥六號任務為(wei)什么用(yong)到(dao)了107臺(tai)發動機(ji)?
讓我們先看看火箭發動機(ji)的推進原理。
火(huo)箭發動(dong)機是如何推(tui)進(jin)火(huo)箭的?
不同發(fa)動機驅動原(yuan)理差別比較大。
比如汽車(che),是(shi)通(tong)過(guo)發(fa)動(dong)機(ji)驅動(dong)輪胎作(zuo)(zuo)用(yong)于地(di)面產(chan)(chan)生(sheng)反(fan)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)來行駛(shi)。特點(dian)是(shi)作(zuo)(zuo)用(yong)于第三物體(ti);而(er)飛機(ji)上的(de)渦輪噴氣發(fa)動(dong)機(ji)是(shi)通(tong)過(guo)噴出氣體(ti)產(chan)(chan)生(sheng)反(fan)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)來提供推力(li),其(qi)特點(dian)是(shi)通(tong)過(guo)噴氣產(chan)(chan)生(sheng)反(fan)作(zuo)(zuo)用(yong)力(li)。從這一(yi)點(dian)來說(shuo),火(huo)箭更接近于飛機(ji)。
從(cong)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)力和(he)反作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)力的角度來(lai)看:我(wo)們步行,用(yong)腳(jiao)蹬地(di)來(lai)獲得(de)動(dong)力;從(cong)椅(yi)子上站(zhan)起來(lai),用(yong)手(shou)撐椅(yi)子扶(fu)手(shou)獲得(de)推舉力;飛機轉彎,通過操縱副(fu)翼、升降舵(duo)(duo)和(he)方向舵(duo)(duo)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)于(yu)高速空(kong)氣(qi)獲得(de)相(xiang)應(ying)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)力。
這些例子(zi)中,都(dou)存在第三物體(ti),比如地面、椅子(zi)扶手、空氣,運動體(ti)都(dou)是(shi)通(tong)過作用于外界來獲得(de)反作用力。而在太(tai)空中,就像電影中的宇航員,不存在第三物體(ti),就無從著力,只能通(tong)過扔出宇航服手臂來獲得(de)反作用作為推進力。
概括來講,我(wo)(wo)們(men)可(ke)以這(zhe)么來理解噴氣產生推(tui)力的(de)過程:如果外界沒有物(wu)體,我(wo)(wo)們(men)就創造并(bing)作用于這(zhe)樣一個物(wu)體來獲得(de)推(tui)進力,而(er)這(zhe)個被(bei)扔出去的(de)物(wu)體呢,我(wo)(wo)們(men)把它稱為“工(gong)質”。目前,所(suo)有的(de)推(tui)進都是(shi)由“工(gong)質”推(tui)進的(de),至于無“工(gong)質”推(tui)進一直是(shi)科幻的(de)題材。
火箭發動機的(de)工質(zhi)就是(shi)噴(pen)出去的(de)高溫燃(ran)氣,其能(neng)量(liang)來(lai)自燃(ran)料和氧(yang)化劑中(zhong)蘊(yun)含的(de)化學能(neng),而燃(ran)料和氧(yang)化劑就是(shi)發動機的(de)推(tui)進(jin)劑。液體火箭發動機的(de)排氣速(su)度(du)一(yi)般(ban)在3000~4500米/秒,排氣速(su)度(du)越(yue)快,性能(neng)就越(yue)高。
這些能量是如何逐步釋放并(bing)驅動任(ren)務完成的?
從發動(dong)機能量(liang)使用角度看,嫦(chang)娥六(liu)(liu)號任務主要(yao)有六(liu)(liu)個階(jie)段——
第一個(ge)階段(duan):運載火箭發射至地月轉移(yi)軌道,飛行時間(jian)2210秒(miao),釋放約99%的能(neng)量;
第(di)二個階段:地月轉移及近(jin)月制動,飛行5天,釋放(fang)剩余1%中的約(yue)30%;
第三個階段:月面著陸,飛(fei)行900秒,釋放剩余(yu)中的約40%;
第四個階段:月(yue)面上(shang)升,飛行360秒,釋放(fang)剩余(yu)中的約10%;
第五個階段:月地轉移,飛行(xing)5天,釋放剩余中的約(yue)20%;
第六個階(jie)段:再入水漂回收(shou)(返回器),消耗的(de)能量可忽略。
從能(neng)量使用角(jiao)度(du)(du)(du)來(lai)看(kan),嫦娥六號任務最讓人(ren)驚訝的(de)是,使用了(le)99%的(de)能(neng)量把探測(ce)器(qi)送(song)到地(di)月(yue)轉移軌道。從這個角(jiao)度(du)(du)(du)來(lai)看(kan),要擺脫地(di)球的(de)引(yin)力(li)進入(ru)太空(kong),難度(du)(du)(du)是非常大的(de)。而(er)且這99%的(de)能(neng)量釋放是在37分(fen)鐘(zhong)內時間內完成的(de),這充(chong)分(fen)體現了(le)液(ye)體火箭發動機功率密度(du)(du)(du)巨大的(de)特點。
功(gong)率密度(du)是單位質量(liang)(或體積)在(zai)單位時間(jian)內釋放的(de)能(neng)量(liang)。據測算,長征(zheng)五(wu)號發射(she)時的(de)功(gong)率相當于三(san)個(ge)三(san)峽大壩滿(man)負荷運行,單臺120噸級液(ye)氧煤油發動機的(de)功(gong)率高于葛洲壩水電(dian)站和(he)臺山核(he)電(dian)站。
嫦娥六號任務中最具特色的三(san)種發動機(ji)
下面介(jie)紹一下本次任務中(zhong)最具(ju)特色的三種發動(dong)機。
其中,120噸級液氧煤(mei)油(you)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)是中國現役最大推(tui)(tui)力(li)的(de)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)。它(ta)采用(yong)液氧和煤(mei)油(you)作為推(tui)(tui)進劑,具有密度比沖高、貯存性能好、綠色環保等(deng)優點,是我(wo)國新(xin)一代運載火(huo)箭系(xi)列(lie)的(de)主心骨。它(ta)的(de)單臺發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)推(tui)(tui)進劑流量超(chao)過400千(qian)克/秒,相(xiang)當于每秒消耗(hao)的(de)燃(ran)油(you)流量有140升(sheng),夠普通家用(yong)汽車加三次油(you)。長征五(wu)號(hao)助(zhu)推(tui)(tui)級采用(yong)了(le)8臺這種(zhong)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji),提供了(le)960噸的(de)推(tui)(tui)舉力(li)。我(wo)本人也很榮(rong)幸全程(cheng)參與(yu)了(le)這種(zhong)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)研制(zhi)。
第二種,7500牛變(bian)推(tui)(tui)力(li)發動機(ji)(ji)可(ke)以說是(shi)嫦(chang)娥工程(cheng)的(de)(de)功勛(xun)發動機(ji)(ji),能夠實(shi)現推(tui)(tui)力(li)從7500牛到1500牛的(de)(de)連續變(bian)化,這種能力(li)對于執行復雜的(de)(de)太空任務至關重要(yao),也是(shi)探測器(qi)實(shi)現著陸(lu)(lu)月球表面的(de)(de)關鍵。在嫦(chang)娥六號探測任務中(zhong),7500牛變(bian)推(tui)(tui)力(li)發動機(ji)(ji)安(an)裝在著陸(lu)(lu)器(qi)上,用于著陸(lu)(lu)器(qi)/上升(sheng)器(qi)組合體在月球表面軟(ruan)著陸(lu)(lu),一共工作900秒,消耗將近兩噸(dun)的(de)(de)推(tui)(tui)進劑(ji)。
第三種,3000牛(niu)發(fa)動機具(ju)有高(gao)性能、高(gao)可靠、輕質小巧等特點,具(ju)備復雜空間環境下多次啟(qi)動能力,為地月和月地間的(de)大范圍(wei)轉(zhuan)移(yi)、月面(mian)起飛發(fa)射保駕護航。嫦(chang)娥六號(hao)探測(ce)任務中,一(yi)臺(tai)(tai)3000牛(niu)發(fa)動機安裝(zhuang)在(zai)軌道器(qi)上,在(zai)全(quan)任務周期中用(yong)于變軌和近(jin)(jin)月、近(jin)(jin)地制動,多次啟(qi)動,消(xiao)耗(hao)近(jin)(jin)2噸推進劑(ji);另一(yi)臺(tai)(tai)安裝(zhuang)在(zai)上升器(qi)用(yong)于月面(mian)起飛,一(yi)共工作360秒,消(xiao)耗(hao)近(jin)(jin)400公斤推進劑(ji)。
此外(wai),嫦娥六號(hao)任務還安裝和(he)應用了(le)比較多的姿態控(kong)制發(fa)動機。除了(le)長征五號(hao)第二(er)級火箭(jian)采用4臺(tai)300牛(niu)(niu)、4臺(tai)150牛(niu)(niu)和(he)2臺(tai)60牛(niu)(niu)發(fa)動機外(wai),嫦娥六號(hao)探測器(qi)(qi)(qi)(qi)的四(si)個部(bu)段(軌(gui)道器(qi)(qi)(qi)(qi)、返回(hui)器(qi)(qi)(qi)(qi)、著陸器(qi)(qi)(qi)(qi)、上升器(qi)(qi)(qi)(qi))也安裝了(le)系(xi)列姿態控(kong)制發(fa)動機,推力有150牛(niu)(niu)、120牛(niu)(niu)、25牛(niu)(niu)和(he)10牛(niu)(niu)這四(si)種。
嫦娥六號探測任務為什么要(yao)采(cai)用上百臺(tai)發動機(ji)?
現在可以回答最(zui)開始的問(wen)題(ti)了(le):嫦娥六號探(tan)測任務(wu)為什么要(yao)采(cai)用(yong)上百臺發動機?
這可以從兩(liang)方面來理解:
一(yi)(yi)方(fang)面,火箭分(fen)為(wei)(wei)三級,嫦(chang)娥(e)組合體分(fen)為(wei)(wei)四部(bu)分(fen),發動機要(yao)(yao)推(tui)舉的(de)(de)重量變化(hua)近千(qian)倍,每一(yi)(yi)部(bu)分(fen)都需(xu)要(yao)(yao)有獨立的(de)(de)發動機系統,需(xu)要(yao)(yao)的(de)(de)推(tui)力需(xu)求和使(shi)用方(fang)式差(cha)別很大,因此發動機的(de)(de)種類也(ye)就多。
另一方(fang)面,不同飛(fei)(fei)行(xing)(xing)段姿(zi)態控制(zhi)(zhi)需(xu)要(yao)不同方(fang)向的(de)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)來(lai)(lai)保證。這一點,可(ke)以參照飛(fei)(fei)機(ji)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)時的(de)姿(zi)態控制(zhi)(zhi)來(lai)(lai)理(li)解:飛(fei)(fei)機(ji)重量、速度變化范圍較小,除了發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji),還采用了副翼(yi)(yi)、襟翼(yi)(yi)、前(qian)緣縫翼(yi)(yi)、擾流板等(deng)多(duo)種氣動(dong)(dong)(dong)結構(gou)件的(de)組合,來(lai)(lai)實(shi)現(xian)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)姿(zi)態控制(zhi)(zhi)。而(er)航天飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器除了主發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)提供速度控制(zhi)(zhi)外,還需(xu)要(yao)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)組合來(lai)(lai)實(shi)現(xian)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)姿(zi)態控制(zhi)(zhi),例如軌道器有8臺(tai)(tai)50牛、18臺(tai)(tai)25牛、12臺(tai)(tai)10牛共38臺(tai)(tai)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji),上升器有8臺(tai)(tai)120牛、12臺(tai)(tai)10牛共20臺(tai)(tai)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)。
可以說,航天發動機注(zhu)定是(shi)多種多樣、變(bian)化多端的。
