2024 年 7 月 12 日，航天推進技術研究院的研究員吳寶元在科普中國星空講壇陜西專場“探秘星空 觸摸未來”帶來演講《嫦娥六號動力解碼》。
嫦娥六號探測任務是人類第一次在月球背面取樣，是我國航天集成度最高的一次任務，也是世界航天事業上的重要里程碑。在這次任務中，采用了107臺發動機，而且都是液體火箭發動機。
一般來說，運輸器發動機數量是比較少的，比如說汽車是一臺發動機，飛機發動機一般不超過四臺，而嫦娥六號任務為什么用到了 107 臺發動機?
讓我們先看看火箭發動機的推進原理。
火箭發動機是如何推進火箭的？
不同發動機驅動原理差別比較大。
比如汽車，是通過發動機驅動輪胎作用于地面產生反作用力來行駛。特點是作用于第三物體；而飛機上的渦輪噴氣發動機是通過噴出氣體產生反作用力來提供推力，其特點是通過噴氣產生反作用力。從這一點來說，火箭更接近于飛機。
從作用力和反作用力的角度來看：我們步行，用腳蹬地來獲得動力；從椅子上站起來，用手撐椅子扶手獲得推舉力；飛機轉彎，通過操縱副翼、升降舵和方向舵作用于高速空氣獲得相應作用力。
這些例子中，都存在第三物體，比如地面、椅子扶手、空氣，運動體都是通過作用于外界來獲得反作用力。而在太空中，就像電影中的宇航員，不存在第三物體，就無從著力，只能通過扔出宇航服手臂來獲得反作用作為推進力。
概括來講，我們可以這么來理解噴氣產生推力的過程：如果外界沒有物體，我們就創造并作用于這樣一個物體來獲得推進力，而這個被扔出去的物體呢，我們把它叫“工質”。目前，所有的推進都是有“工質”推進的，至于無“工質”推進一直是科幻的題材。
火箭發動機的工質就是噴出去的高溫燃氣，其能量來自于燃料和氧化劑中蘊含的化學能，而燃料和氧化劑就是發動機的推進劑。液體火箭發動機的排氣速度一般在3000~4500m/s，排氣速度越快，性能就越高。
這些能量是如何逐步釋放并驅動任務完成的？
從發動機能量使用角度看，嫦娥六號任務主要有六個階段——
第一個階段：運載火箭發射至地月轉移軌道，飛行時間2210s，釋放約99%的能量；
第二個階段：地月轉移及近月制動，飛行5天，釋放剩余1%中的約30%；
第三個階段：月面著陸，飛行 900s，釋放剩余中的約40%；
第四個階段：月面上升，飛行360s，釋放剩余中的約10%；
第五個階段：月地轉移，飛行5天，釋放剩余中的約 20%；
第六個階段：再入水漂回收(返回器)，消耗的能量可忽略。
從能量使用角度來看，嫦娥六號任務最讓人驚訝的是，使用了99%的能量把探測器送到地月轉移軌道。從這個角度來看，要擺脫地球的引力進入太空，難度是非常大的。而且這99%的能量釋放是在37分鐘內時間內完成的，這充分體現了液體火箭發動機功率密度巨大的特點。
功率密度是單位質量(或體積)在單位時間內釋放的能量。據測算，長征五號發射時的功率相當于三個三峽大壩滿負荷運行，單臺120噸級液氧煤油發動機的功率高于葛洲壩水電站和臺山核電站。
嫦娥六號任務中最具特色的三種發動機
下面介紹一下本次任務中最具特色的三種發動機。
其中，120噸級液氧煤油發動機是中國現役最大推力的發動機。它采用液氧和煤油作為推進劑，具有密度比沖高、貯存性能好、綠色環保等優點，是我國新一代運載火箭系列的主心骨。它的單臺發動機推進劑流量超過400kg/s，相當于每秒消耗的燃油流量有140升，夠普通家用汽車加三次油。長征五號助推級采用了八臺這種發動機，提供了960噸的推舉力。我本人也很榮幸全程參與了這種發動機的研制。
第二種，7500N變推力發動機可以說是嫦娥工程的功勛發動機，能夠實現推力從7500牛到1500牛的連續變化，這種能力對于執行復雜的太空任務至關重要，也是探測器實現著陸月球表面的關鍵。這種發動機代表了中國在航天技術領域的自主創新能力，填補了國內在變推力發動機領域的空白，綜合性能達到了世界領先水平，為我國深空探測任務提供了堅實的技術保證。在嫦娥六號探測任務中，7500N變推力發動機安裝在著陸器上，用于著陸器/上升器組合體在月球表面軟著陸，一共工作900秒，消耗將近兩噸的推進劑。
第三種，3000N發動機具有高性能、高可靠、輕質小巧等特點，具備復雜空間環境下多次啟動能力，為地月和月地間的大范圍轉移、月面起飛發射保駕護航。嫦娥六號探測任務中，一臺3000N發動機安裝在軌道器上，在全任務周期中用于變軌和近月、近地制動，多次啟動，消耗近2噸推進劑；另一臺安裝在上升器用于月面起飛，一共工作360秒，消耗近400公斤推進劑。
此外，嫦娥六號任務還安裝和應用了比較多的姿態控制發動機。除了長征五號第二級火箭采用4臺300N、4臺150N和2臺60N發動機外，嫦娥六號探測器的四個部段（軌道器、返回器、著陸器、上升器）也安裝了系列姿態控制發動機，推力有150N、120N、25N 和10N 這四種。
嫦娥六號探測任務為什么要采用上百臺發動機？
現在可以回答最開始的問題了：嫦娥六號探測任務為什么要采用上百臺發動機？
這可以從兩方面來理解：
一方面，火箭分為三級，嫦娥組合體分為四部分，發動機要推舉的重量變化近千倍，每一部分都需要有獨立的發動機系統，需要的推力需求和使用方式差別很大，因此發動機的種類也就多；
另一方面，不同飛行段姿態控制需要不同方向的發動機來保證。這一點，可以參照飛機飛行時的姿態控制來理解：飛機重量、速度變化范圍較小，除了發動機，還采用了副翼、襟翼、前緣縫翼、擾流板等多種氣動結構件的組合，來實現飛行姿態控制。而航天飛行器除了主發動機提供速度控制外，還需要發動機組合來實現飛行姿態控制，例如軌道器有8臺50N、18臺25N、12臺10N共38臺發動機，上升器有8臺120N、12臺10N共20臺發動機。
可以說，航天發動機注定是多種多樣、變化多端的。
作者丨吳寶元 航天推進技術研究院研究員
下一篇：返回列表
【免責聲明】本文轉載自網絡，與科技網無關。科技網站對文中陳述、觀點判斷保持中立，不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。