订阅

多平台阅读

微信订阅

杂志

申请纸刊赠阅

订阅每日电邮

移动应用

商业

新火箭方程式

杨安琪 2019年11月01日

中国火箭事业在民间生根发芽。在一个相对封闭、神秘的领域,民营火箭公司们蓄势待发。36 岁的张昌武期待一飞冲天,他创办的蓝箭航天会是中国的 SpaceX 吗?

进入一家火箭公司之前,你需要知道一些注意事项:这里是中国国家二级涉密单位,不能拍照,也禁止与工程师们交谈。这里无时无刻不在提醒你进入一家涉密单位。在电梯间贴着“国家秘密受法律保护”、“维护国家安全和利益”的海报。配合这种海报的是解放军仪仗队和万里长城的图片。

公司门口张贴出国家主席习近平的标语:“星空浩瀚无比,探索永无止境”。这是他在2016年6月会见探月工程嫦娥四号任务参研参试人员代表时做出的表态。这被认为是中国最高领导人对航天事业给予的厚望。

但唯一不同的是,这里是一家中国民营火箭公司。

36岁的张昌武创立了蓝箭航天。这家公司成立于2015年6月,是中国唯一一家具备液体燃料运载火箭研发能力的民营企业,从2015年中国商业航天政策破冰,蓝箭成立到现在为止将近五年时间。

在过去的五年,张昌武认为蓝箭做了三件事:首先通过蓝箭在这个领域的探索,摸出了一条道路,并且指明了方向,中国民营火箭这条路是通的,无论是研制还是配套的业务链条。

尤其是2018年蓝箭组织发射了首枚民营运载火箭:朱雀一号。虽然发射在最后一个环节失利,但蓝箭是国内第一家拿到中国民营运载火箭发射许可证的公司,也是最早取得行业全部准入资质的民营火箭企业,并且将能力链条、供应链条、体系链条以及发射链条四个链条全部打通的企业。

商业航天领域在2015年破冰,自此商业航天力量得到了迅猛发展。但在整个产业链环节,火箭研发制造赛道上的参赛者其实并不多,因为这个赛道的技术门槛很高。

朱雀

2018年10月27日16点00分,蓝箭航天“朱雀一号”运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。飞行全过程中,“朱雀一号”最大飞行高度337千米,最快速度6,300米/秒。

遗憾的是,在升空402秒后,三级出现异常,搭载的未来号未能按照预定计划入轨。

经数据判读,火箭点火、起飞正常,一级飞行正常,一二级分离正常,二级飞行正常,二三级分离正常,整流罩分离正常,三级滑行段飞行正常,三级主发动机点火后火箭飞行正常。

三级工作约37秒(对应总飞行时间402秒)后,主发动机工作正常,但姿态控制力异常、推进剂提前耗尽。经初步分析,怀疑末修姿控动力系统某推力室输送管损坏导致控制力下降和推进剂泄漏。

张昌武并不认为这是一次失败。相反,他认为,作为中国民营运载火箭首发,这样的结果已经不容易,此次发射已经达到了关键技术验证的目标。同时,从设计目标来看,“朱雀·南太湖号”只要竖在发射场,就已经是一种重大胜利。“在这背后,我们做了一系列重大工作,完成了包括与行业内监管部门一起推动民营航天的准入制度、许可申请、简化发射流程等,这已经具有里程碑意义。”

商业航天最为关键的技术之一,就是航天发动机技术,这是火箭、空天飞行器的主要动力系统。以液体发动机为例,当前最前沿的技术是探索研制液氧甲烷发动机。随着SpaceX公司的猎鹰9号火箭的第一级重复使用技术的成功实现,液体火箭发动机的单次任务可多次启动和可在多次任务中使用的性能成为了工程师追求的目标。

相较于当前主流的液氧煤油和液氢液氧两个组合,液氧甲烷具有冷却能力强、比冲高(考验燃料性能指标之一,比冲越高油耗越少)、不易结焦等优点,同时单位质量燃料的成本只有煤油的1/3和液氢的1/30。这种特性使得液氧甲烷成为推动火箭、空天飞行器低成本、可重复使用的最理想组合。有公开消息显示,国家队航天科技曾经在2016年成功完成液氧甲烷发动机项目的研究。

现在使用液氧甲烷火箭发动机的有美国SpaceX的猛禽下一代液氧甲烷发动机、美国蓝色起源公司的BE-4液氧甲烷发动机、中国蓝箭的天鹊液氧甲烷发动机。

天鹊

“天鹊”(TQ-12)是一台80吨液氧甲烷发动机,这是蓝箭的核心竞争力。虽然发动机只是火箭的一个部分,但想把它成功的组装在一起可不是一件容易的事。这需要总装设计师、工艺设计师、装配人员通力合作。

作为一位合格的发动机总装设计师,需要了解火箭总体对发动机的各项要求,同时也要深刻理解发动机系统和各组合件的工作原理及结构特殊性需求,熟练掌握并运用结构设计、仿真计算、材料工艺、制造装配等知识和工具。从初始的构想到最终的产品,要经历多次的设计、计算、沟通、协调、验证、改进过程,反复迭代,达到性能、质量、成本和可靠性的完美平衡。

发动机需要为火箭提供推力矢量,技术方案可以采用泵前摇摆和泵后摇摆。传统的发动机采用泵前摇摆方案,造成转动惯量增加、重心偏移和各种作用力,给伺服机构带来额外的载荷,增加了火箭控制的难度和成本。而泵后摇摆方案,则能很好地解决这些问题,但技术难度更大,蓝箭航天的“天鹊”发动机已经突破相关技术,采用了先进的泵后摇摆。

同时,“天鹊”发动机还大量采用了模块化的设计思路。传统的液体火箭发动机装配和拆卸基本以零组件为单位,装配工艺复杂、装配周期长、使用维护不便,不利于批量生产和维修更换,也不利于发动机的通用扩展。

通过创新的模块化设计思路,“天鹊”发动机设计了各种不同的功能模块,各个模块可并行装配、互换互用,辅以先进的数字化设计、装配和制造技术,可大幅度提升装配质量、缩短装配周期。在此基础上,再配备智能化装配、测试设备,可进一步实现流水线生产模式,为未来发动机的大批量生产打下坚实的基础。

同时,“天鹊”发动机的通用性和扩展性也得到了很大的提高。通过对基础型发动机模块的变化组合,可形成各种不同推力和摇摆方式的并联发动机,适应各类型火箭的需求。发动机的绝大多数核心部件将实现通用,可大批量生产并充分考核,以大幅度降低发动机制造成本、提高可靠性。

设计思路搞定后,就是和装配的衔接问题,虽说“天鹊”发动机采用的是模块化的工艺设计,但总装设计师们面对的可不仅仅是已经交付好的单机模块拼接问题,而是要把发动机包括推力室、涡轮泵、阀门、总装部件及管路、调节元件等上千个零部组件的空间相对位置精细的考虑清楚,并落实成图纸。

这些图纸将会成为后续工艺人员和工人装配的依据。但再精细的图纸,也不可能避免出现问题,零件的空间位置关系是否到位,极有可能要到总装阶段才能验证。

“天鹊”发动机在设计过程中,采用了全三维数字化设计和计算机仿真技术来搞定图纸的问题,但图纸并不是万能的,就像你极其顺利地拆了一个闹钟,却无论如何都无法把它按照原样安装回去,甚至会发现多了几个零件而不知道是哪里的;即便安上了,可能也会发现闹钟总是不如原来的好用。这就是装配时出了问题。一个小小的闹钟尚且如此,火箭发动机这样一个复杂的系统就更不用说了。

任何一个火箭研制单位,都不敢忽视总装环节,特别是发动机的装配质量,直接影响着火箭发射的成败。这是有血泪史的。

1999年11月15日,一枚日本H2型火箭发射升空后严重偏离轨道,在无法挽救的情况下,地面控制中心通过遥控将其引爆。这次失败是由于第一级发动机内部的配管破裂,导致气体泄漏,使发动机停止工作的。

类似的事例有很多。可以说,当所有生产过程走到最后一步,所有零件都集合到一起的时候,装配工人的双手,就是决定火箭发动机质量的最后一步。

掌握发动机“命脉”的人

发动机产品结构复杂,特别是发动机上形状各异的导管,是整个装配的难点。如果发动机被称为火箭的心脏,那么导管就是心脏上的血管,为发动机随时输送血液。

任何一根管子的泄漏或破裂都会对火箭造成重大影响甚至导致整个发射的失败。所以,从某种程度上来说,负责发动机总装的工程师们,是名副其实的掌握了发动机“命脉”的人。蓝箭航天智能制造基地发动机生产部工程师彭武龙觉得,为发动机安装导管无异于给心脏做了一次外科手术。

由于火箭总体对发动机空间有极其严格的限制,这些管路不能像树枝一样随意生长,而是必须依照总体要求,弯曲成不同的形状,这样才能保证在飞行过程中,不与火箭的其他结构发生碰撞。

但是,发动机上的管路,绝大多数是金属硬管而不是软管,在装配环节,工人必须通过导管的锉修,让这些硬管精准的连在一起,并且严丝合缝。

传统的导管装配,一般首先要进行比试,也就是工人拿着导管到需要装配的位置比量一下,别小看这个步骤,一般人还真做不好它。导管和接口的轴心是否一致,导管的空间位置和间隙是否符合要求,在哪里锯切才能保证导管长度合适,正好匹配导管两端的接口……

如果不合适,那么就要重新进行导管的校正,没有多年的工作经验,是没办法迅速判断出来的。只有比试合格,装配工才敢对导管进行截取和切割,也才能开始后续的对接、焊接工作。

由于每个装配工的操作经验和空间思维想象力的差异,在实际工作中,锉修导管的效率和锉修质量差异很大。

随着技术的发展,数字化制造技术在发动机导管弯管工序得到应用,相比手工弯管,数字化制造的导管是按模型生产的,也就是都是一个模子里出来的,弯曲程度八九不离十,对导管锉修或校形要求更低。有利于后续装配工作。而且,省去了取样比试的过程,可以缩短装配周期。

但尽管有数字化技术做支撑,导管的装配依然是整个火箭发动机装配中的最大难题之一,特别是一个新型号的发动机,在全无经验的基础上,研制人员需要做出比成熟发动机更为艰难的探索,才能形成一套合适的装配流程。

一个都不能“多”

多余物是一个很有意思的名字,它并不是专指某一种东西的,而是一个相对的概念。一件产品,除了图纸中规定的它需要有的零部件,任何东西出现在产品中都属于多余物。小到头发丝,加工时出现的毛刺,大到锤子、扳手、服装……

很多时候,多余物不是故意放进去的,完全是因为粗心大意或者是彻头彻尾的意外,甚至,对于火箭发动机进行检测和吹除等非装配工序,都有可能产生多余物。多余物,可以说是航天工程师们的“死敌”。历史上惨痛的教训,已然让所有人都变得神经紧张。

1965年,美国“大力神”2型火箭由于在氧化剂进口处存在一个塑料螺帽而导致火箭在点火后未能起飞。1980年和1990年,欧洲空间局的阿丽亚娜火箭分别由于零部件商标和擦拭布不慎遗留在发动机内,堵塞燃烧室喷嘴和水循环系统管道,导致星箭俱毁。1991年,因一碎片堵塞发动机管道,致使日本BS-2H通信卫星在高空爆炸。俄罗斯分别在1999年、2002年、2006年、2007年、2011年和2012年由于金属碎片被吸入涡轮泵、金属碎片堵塞推进器液压泵、堵塞燃料输送管路等原因导致“质子号”和“联盟号”两个系列的运载火箭发生6次航天事故。

应对多余物的办法之一,是加强现场管理。为此,各大火箭生产单位对装配过程提出了各种各样的要求,比如,工人要穿定制工服、戴帽子,防止头发掉落,也防止杂物和灰尘;每天对使用的工具都要进行点数;螺钉,用多少发多少,甚至有专门的盒子,按照大小专门放螺钉。女工程师不准化妆,一切首饰都不准戴;甚至,蓝箭曾经有过为了防止头发丝,车间全体剃光头的故事。

总装对于蓝箭航天来说极具重要意义,既是研制计划的一次坚实进步,同时也是商业航天公司在新的量级上实践了一台新型发动机的研制总装流程。从装配完成这一刻起,“天鹊”发动机将陆续迎接考验,此前的一切成果,都会在这里得到证明。

按照张昌武的计划,2021年蓝箭航天将有可能将货物送到月球。人类会因为这家中国公司而变得不同吗?可能只有时间会给出答案。(财富中文网)

我来点评

  最新文章

最新文章:

500强情报中心

财富专栏