發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的心臟,渦輪泵則是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟。它通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)給來(lái)自貯箱的液氫和液氧增壓,繼而供應(yīng)到推力室,使之混合燃燒,產(chǎn)生巨大推力托起火箭飛行。
2018年4月16日,國(guó)家國(guó)防科工局發(fā)布消息稱,長(zhǎng)征五號(hào)遙二火箭飛行失利故障原因基本查明,故障出自火箭的液氫液氧(YF-77)發(fā)動(dòng)機(jī),長(zhǎng)征五號(hào)工程研制團(tuán)隊(duì)正在全面落實(shí)故障改進(jìn)措施。
長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師王維彬曾把YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的故障歸零工作視為"在黑暗中探索"。誰(shuí)也沒(méi)想到,黑夜會(huì)如此漫長(zhǎng)……
1"心像被撞了一下"
在航天人的記憶里,2017年7月2日的夜晚是以一種急速下墜的方式到來(lái)的。
那天晚上,長(zhǎng)征五號(hào)火箭副總師王維彬的心情就像坐過(guò)山車,車最后栽倒在谷底。巨大的長(zhǎng)征五號(hào)在塔架上靜靜矗立,媒體架起了攝像機(jī),老百姓等候在電視機(jī)前。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,正常。點(diǎn)火170秒后,4個(gè)裝有液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的助推器完成使命,成功分離;346秒時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)提前熄火,問(wèn)題出在一臺(tái)芯一級(jí)上的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)。王維彬感覺(jué)渾身麻木,"心像被撞了一下"。
正在北京家中的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部主任鄭大勇接到所里的電話,聽到的第一句話就是"發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有了"。
鄭大勇趕到單位。位于北京東高地的測(cè)控大廳里集結(jié)了一群人。他們?nèi)勘浑娫?召回",圍到一處,盯著屏幕看一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)傳回的數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)鴉雀無(wú)聲。
多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)與初步分析的結(jié)果基本吻合:火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題比較大。但屏幕上的數(shù)據(jù)只能描繪出問(wèn)題的大致輪廓,還不足以精準(zhǔn)地找到病根。
發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障之后,長(zhǎng)征五號(hào)火箭已經(jīng)偏離了軌道,墜入太平洋。沒(méi)有殘骸,就看不到病癥,也就無(wú)法用藥。與此同時(shí),輿論很快通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)酵。甚至有網(wǎng)友評(píng)論:中國(guó)航天進(jìn)入至暗時(shí)刻。
當(dāng)時(shí)在北京家中收看發(fā)射直播的吳平,和身處海南文昌發(fā)射場(chǎng)的王維彬,至今回憶起那一晚都還會(huì)有些恍惚。吳平與王維彬結(jié)婚32年,也一起在北京11所工作了30多年,她了解王維彬,發(fā)射失利后并沒(méi)有立即聯(lián)系他。"我唯一能做的,就是等。"吳平說(shuō)。
"失聯(lián)"幾天后,她等到王維彬發(fā)來(lái)的第一條信息——"馬上登機(jī)"。幾個(gè)小時(shí)后,王維彬落地北京再度"失聯(lián)",直至半夜才推開家門。
2"要做到故障復(fù)現(xiàn),太難了"
從那天起,吳平在近兩年的時(shí)間里都處于"等待"中。王維彬早上一出門,經(jīng)常后半夜才回家。晚上12點(diǎn)如果人還沒(méi)回來(lái),吳平就先睡了。盡管兩人同在所里上班,卻形同路人。
和王維彬一同進(jìn)入"歸零"作息時(shí)間的,有一大批YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員,還有火箭抓總研制單位航天科技集團(tuán)一院的研制人員、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)抓總研制單位航天科技集團(tuán)六院的研制人員,以及我國(guó)知名院士專家……
長(zhǎng)征五號(hào)遙二飛行失利,牽一發(fā)動(dòng)全身,整個(gè)航天科技集團(tuán)乃至國(guó)家有關(guān)方面都開始痛定思痛,在全面反思中前行,在質(zhì)量整改中蓄勢(shì),準(zhǔn)備下一次起飛。
對(duì)于當(dāng)事人來(lái)說(shuō),這次難度極大的歸零是在"先天不足"中開始的。火箭殘骸沉入萬(wàn)丈深海,研制人員掌握的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
"想了很多辦法,盡可能地收集數(shù)據(jù),也沒(méi)能精確定位故障,要做到故障復(fù)現(xiàn),太難了。"年輕的渦輪泵設(shè)計(jì)師黃克松回憶。從各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)到各行專家,陸續(xù)登門北京11所,大家也只是把故障粗略鎖定在氧渦輪泵上。
液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵,一頭是極低溫的泵,另一頭是高溫的渦輪,這讓渦輪泵在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的受力情況顯得尤為復(fù)雜。它在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中,負(fù)責(zé)動(dòng)力傳輸,將熱能、動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。研制人員一開始是從工藝層面對(duì)渦輪泵進(jìn)行"加固",黃克松解釋:"主要是一些局部改進(jìn)。"
歸零進(jìn)展緩慢,很多人的關(guān)切詢問(wèn)不時(shí)傳來(lái),研制人員經(jīng)常只能報(bào)以沉默。家里的耄耋老人曾有一個(gè)多月沒(méi)見到王維彬。好不容易,王維彬有空回來(lái)吃飯,老人驚訝道,"你現(xiàn)在怎么身體跟我一樣差了?"
3"他們這些人,為長(zhǎng)五耗盡了心血"
在歸零工作最緊張的時(shí)候,胡鵬的妻子商蕾也陷入了崩潰。那次胡鵬去了海南文昌,老父母沒(méi)在家,單位開展保密檢查,裝修師傅還讓商蕾上門看涂料。孩子晚上等不來(lái)媽媽,一連打了20多個(gè)電話。焦頭爛額的商蕾回家后,對(duì)兒子發(fā)了一通火。
胡鵬在型號(hào)處工作,倆人在單位見不著面,在家里也說(shuō)不上幾句話。經(jīng)常是胡鵬接到一個(gè)電話,然后一口氣撥出幾個(gè)電話。"接電話是有任務(wù)來(lái)了,撥出電話是立即執(zhí)行",商蕾說(shuō)有時(shí)候想跟丈夫聊聊天,但他已經(jīng)披上衣服準(zhǔn)備出門了。
王維彬的血壓開始升高,嚴(yán)重的痛風(fēng)讓他的雙腿失去了活力,一度只能一瘸一拐地挪向會(huì)議室。有時(shí)候趕上出差,他坐早上6點(diǎn)的航班離開北京,當(dāng)天半夜又搭乘紅眼航班回來(lái),吃點(diǎn)安眠藥,第二天出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
吳平憋不住了。
——"工作上的事我不過(guò)問(wèn),就希望你能多睡會(huì)兒。"
——"我也希望有陪伴。"
——"你怎么病沒(méi)好又跑走了,連自己都管不好!"
吳平語(yǔ)氣慢慢加重,面前這個(gè)在同事眼中溫文爾雅的安徽男人也開始生氣。
——"你不懂,你還是不能理解我。"
——"你就不能對(duì)我耐心一點(diǎn)?"
平時(shí)講話都客客氣氣的兩口子,爭(zhēng)吵了起來(lái),攪動(dòng)了平靜的生活。
偶爾在家里落腳時(shí),王維彬也是沉默不語(yǔ),一心思考?xì)w零工作。長(zhǎng)五遙二飛行失利是YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員心里的傷口,大家變得比過(guò)去敏感,尤其不希望傷口被觸碰,家人也不例外。
"其實(shí)我就希望他能安穩(wěn)睡上一覺(jué)。"歸零期間,吳平盡量不打擾王維彬,只想讓他擠出時(shí)間多睡一會(huì)兒。她最大的愿望是盼著退休后兩人能手牽手過(guò)上自己的生活。幾十年來(lái),兩人還沒(méi)一起休假出去玩過(guò)。歸零開始后,家庭聚會(huì)和朋友聚會(huì)里也都少了王維彬的身影。
吳平說(shuō):"他們這些人,為長(zhǎng)五耗盡了心血。"
4"難道是我們的設(shè)計(jì)方案先天不足?"
長(zhǎng)征五號(hào)火箭總指揮王玨曾經(jīng)是航天科技集團(tuán)六院北京11所的老所長(zhǎng)。王維彬大學(xué)畢業(yè)后來(lái)到這家單位,與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品日夜相伴,后來(lái)跟著王玨一起參與到長(zhǎng)征五號(hào)火箭的研制中。
從1995年應(yīng)用于大型運(yùn)載火箭的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)正式進(jìn)入工程預(yù)研階段,到2016年長(zhǎng)征五號(hào)首飛,中國(guó)的第一枚大火箭研制走過(guò)30年風(fēng)雨,一代人從青春年少熬成了白發(fā)叢生。
57歲的王維彬說(shuō),YF-77是我國(guó)首次研制的大推力液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī),瞄準(zhǔn)的目標(biāo)推力是當(dāng)時(shí)在役氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的9倍,技術(shù)跨度大。這么多年我們克服了很多困難,有技術(shù)上的、人才上的、經(jīng)費(fèi)上的、條件上的……事非親歷不知難,這是很多局外人所不能理解的。
渦輪泵,長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)上唯一高速旋轉(zhuǎn)的裝置。在最高900開爾文溫度(626.85攝氏度)的熱環(huán)境和極其復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境下,它會(huì)以每分鐘近2萬(wàn)轉(zhuǎn)(約每秒333轉(zhuǎn))的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。
在此之前,3臺(tái)YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)一共進(jìn)行了15次試車,均順利通過(guò)考核。這次它將在地面接受工況環(huán)境最為惡劣的一次"加試",迎來(lái)500秒的長(zhǎng)程試車。發(fā)動(dòng)機(jī)研制方——北京11所的研制人員也在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。晝夜不分甚至讓人精神面貌出現(xiàn)"反常"征兆的加班狀態(tài),已經(jīng)持續(xù)了一年多,大家希望這500秒是黎明前最后的黑暗。
試車開始沒(méi)多久,氧渦輪泵的局部結(jié)構(gòu)斷裂,"心臟"停止跳動(dòng)。這是中國(guó)現(xiàn)役最大運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射失利后,出現(xiàn)的首次發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車失敗。此時(shí)是2018年11月末,北京冬天已至。
從那一刻開始,YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)開始了第二次歸零,開展了一系列理論計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)、交付、試驗(yàn)與優(yōu)化工作并行,一切有條不紊。
大家認(rèn)為,這次故障定位應(yīng)該是找對(duì)了,就在氧渦輪泵的局部結(jié)構(gòu)上。
北京11所渦輪泵設(shè)計(jì)部主任金志磊解釋,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,一秒內(nèi)渦輪泵就可以達(dá)到工作轉(zhuǎn)速,高溫高轉(zhuǎn)速下,"從裂縫到斷開就是眨眼間的事",很快,渦輪泵軸部斷掉,發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。
有了這個(gè)認(rèn)識(shí),第二次歸零按計(jì)劃進(jìn)行。一個(gè)周末,王維彬一反常態(tài)地對(duì)著吳平說(shuō):"咱倆去散個(gè)步吧,換換腦子。"那是漫長(zhǎng)歸零開始以來(lái),王維彬向妻子發(fā)出的第一個(gè)邀約。兩人繞著小區(qū)外的街道走了一圈。
第二次歸零于2019年4月告一段落。用設(shè)計(jì)師的話說(shuō),渦輪泵這次經(jīng)歷了"大改",實(shí)際就是對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改。大家都充滿信心,勢(shì)在必得,長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭的發(fā)射也被安排在2019年夏天。
改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一輪試車,共3次,前兩次一切正常,又到了距離成功只有一步之遙的時(shí)刻。最后一次試車,氧渦輪泵還是出現(xiàn)裂紋,這讓王維彬、金志磊等人陷入崩潰。
4月4日,清明節(jié)前一天,晚上10點(diǎn)半,王維彬接到一個(gè)電話,報(bào)告說(shuō)氧渦輪泵有故障征兆。有年輕設(shè)計(jì)師捕捉到了這個(gè)"異常"。這好比換了一個(gè)更高倍率的放大鏡,讓原來(lái)看不到的隱患顯形了。
研制團(tuán)隊(duì)的第一反應(yīng)是不敢相信,眼前的希望化為巨大的失望,信心所剩無(wú)幾。"難道是我們的設(shè)計(jì)方案先天不足?"挫敗讓設(shè)計(jì)師們開始懷疑一切,開始否定自我。
5走出至暗時(shí)刻
一個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)方案,往往會(huì)有好幾個(gè),在經(jīng)過(guò)反復(fù)論證后,優(yōu)中選優(yōu),然后開始生產(chǎn)。連續(xù)的失敗,讓大家開始反思——對(duì)"何為最優(yōu)"的認(rèn)識(shí),會(huì)不會(huì)發(fā)生改變呢?生產(chǎn)條件,力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境制約,等等,這些都一直在變,當(dāng)時(shí)認(rèn)為最好的方案,現(xiàn)在是不是會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題呢?是繼續(xù)沿用之前的方案,還是換個(gè)方案?
問(wèn)號(hào)在大家的大腦里堆積,壓迫著他們。金志磊也開始對(duì)最初的設(shè)計(jì)方案生疑——一個(gè)他曾引以為傲的方案也許并沒(méi)有考慮周全。
通常情況下,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要一個(gè)碩大的渦輪泵來(lái)向燃燒室內(nèi)壓入燃料,其重量通常要占到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一半以上。在滿足火箭總體方案的條件下,設(shè)計(jì)師給渦輪泵進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計(jì)——盡量把渦輪泵設(shè)計(jì)得又輕又小。
問(wèn)題恰恰出在了這里。"為了追求性能,設(shè)計(jì)得太優(yōu),可靠性反而降低了。"金志磊說(shuō)。
同樣的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī),同樣的渦輪泵,為什么長(zhǎng)征五號(hào)火箭首飛前,發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)長(zhǎng)累計(jì)3萬(wàn)秒,卻沒(méi)出現(xiàn)問(wèn)題?黃克松等設(shè)計(jì)師的理解是:"這是一個(gè)很小概率的事件,但偏偏在遙二身上暴露。"在失利后的前兩次歸零中,設(shè)計(jì)師延長(zhǎng)了試車時(shí)間,加嚴(yán)了環(huán)境工況,問(wèn)題再次暴露。
今年4月第二次歸零鎩羽而歸時(shí),長(zhǎng)征五號(hào)箭在弦上,依舊不能發(fā)射。研制人員把發(fā)動(dòng)機(jī)召回,仔細(xì)檢測(cè)。
金志磊表示,認(rèn)知邊界擴(kuò)展后,設(shè)計(jì)師決定用分體結(jié)構(gòu)替換原來(lái)的整體結(jié)構(gòu),提高可靠性。
一型火箭發(fā)動(dòng)機(jī),從它出生起,便不斷累積試車時(shí)間。這個(gè)型號(hào)一共生產(chǎn)了多少臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)了多少時(shí)長(zhǎng)的試車,全部累計(jì)形成一串?dāng)?shù)字,成為證明發(fā)動(dòng)機(jī)性能的ID。就像軍人的肩章,一眼望過(guò)去,即知軍銜大小。
我國(guó)新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中,液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)間累積超過(guò)7萬(wàn)秒。國(guó)際上,美國(guó)SSME發(fā)動(dòng)機(jī)首飛前試車超過(guò)了10萬(wàn)秒。截至目前,YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)30余臺(tái),地面試車時(shí)間累計(jì)5萬(wàn)秒。
在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,試車時(shí)長(zhǎng)并非唯一的硬性考核標(biāo)準(zhǔn)。北京11所設(shè)計(jì)師給出了一個(gè)可靠性模型。這個(gè)模型將試車時(shí)長(zhǎng)、試車次數(shù)、技術(shù)狀態(tài)、試車故障等多種因素考慮進(jìn)去,綜合計(jì)算出一個(gè)考核分值。YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的考核分值達(dá)到97.5即可首飛。
與此同時(shí),專家還認(rèn)為,未來(lái)在推進(jìn)YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的"可靠性增長(zhǎng)工程"時(shí),地面長(zhǎng)程試車絲毫不能打折扣。在徹底根除氧渦輪泵"病根"后,研制團(tuán)隊(duì)也希望把YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)ID上的數(shù)字拉得更長(zhǎng)一些。
今年7月,YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行第三次歸零后的試車,一共考核了7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。其中,3臺(tái)為地面研究性發(fā)動(dòng)機(jī),2臺(tái)用于長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭發(fā)射,還有2臺(tái)用于明年長(zhǎng)征五號(hào)B遙一火箭發(fā)射。所有發(fā)動(dòng)機(jī)均順利通過(guò)考核。9月,長(zhǎng)征五號(hào)遙二火箭通過(guò)歸零評(píng)審。隨后長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭劈波斬浪1670海里,12月27日箭起海之南。
發(fā)動(dòng)機(jī)噴管吐出的火焰跳躍上升,黑夜被燒開了一個(gè)洞,大火箭飛出地球,一群航天人也走出了人生中的至暗時(shí)刻。