探月“動力解碼”！嫦娥六號探測任務(wù)都用到了哪些發(fā)動機？

2024 年 7 月 12 日，航天推進技術(shù)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(wù)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(wù)，也是世界航天事業(yè)上的重要里程碑。在這次任務(wù)中，采用了107臺發(fā)動機，而且都是液體火箭發(fā)動機。

一般來說，運輸器發(fā)動機數(shù)量是比較少的，比如說汽車是一臺發(fā)動機，飛機發(fā)動機一般不超過四臺，而嫦娥六號任務(wù)為什么用到了 107 臺發(fā)動機?

讓我們先看看火箭發(fā)動機的推進原理。

火箭發(fā)動機是如何推進火箭的？

不同發(fā)動機驅(qū)動原理差別比較大。

比如汽車，是通過發(fā)動機驅(qū)動輪胎作用于地面產(chǎn)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(fā)動機是通過噴出氣體產(chǎn)生反作用力來提供推力，其特點是通過噴氣產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)生推力的過程：如果外界沒有物體，我們就創(chuàng)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(zhì)”。目前，所有的推進都是有“工質(zhì)”推進的，至于無“工質(zhì)”推進一直是科幻的題材。

火箭發(fā)動機的工質(zhì)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(xué)能，而燃料和氧化劑就是發(fā)動機的推進劑。液體火箭發(fā)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(qū)動任務(wù)完成的？

從發(fā)動機能量使用角度看，嫦娥六號任務(wù)主要有六個階段——

第一個階段：運載火箭發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道，飛行時間2210s，釋放約99%的能量；

第二個階段：地月轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)最讓人驚訝的是，使用了99%的能量把探測器送到地月轉(zhuǎn)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(nèi)時間內(nèi)完成的，這充分體現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機功率密度巨大的特點。

功率密度是單位質(zhì)量(或體積)在單位時間內(nèi)釋放的能量。據(jù)測算，長征五號發(fā)射時的功率相當(dāng)于三個三峽大壩滿負荷運行，單臺120噸級液氧煤油發(fā)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(wù)中最具特色的三種發(fā)動機

下面介紹一下本次任務(wù)中最具特色的三種發(fā)動機。

其中，120噸級液氧煤油發(fā)動機是中國現(xiàn)役最大推力的發(fā)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(huán)保等優(yōu)點，是我國新一代運載火箭系列的主心骨。它的單臺發(fā)動機推進劑流量超過400kg/s，相當(dāng)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(fā)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(fā)動機的研制。

第二種，7500N變推力發(fā)動機可以說是嫦娥工程的功勛發(fā)動機，能夠?qū)崿F(xiàn)推力從7500牛到1500牛的連續(xù)變化，這種能力對于執(zhí)行復(fù)雜的太空任務(wù)至關(guān)重要，也是探測器實現(xiàn)著陸月球表面的關(guān)鍵。這種發(fā)動機代表了中國在航天技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，填補了國內(nèi)在變推力發(fā)動機領(lǐng)域的空白，綜合性能達到了世界領(lǐng)先水平，為我國深空探測任務(wù)提供了堅實的技術(shù)保證。在嫦娥六號探測任務(wù)中，7500N變推力發(fā)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(fā)動機具有高性能、高可靠、輕質(zhì)小巧等特點，具備復(fù)雜空間環(huán)境下多次啟動能力，為地月和月地間的大范圍轉(zhuǎn)移、月面起飛發(fā)射保駕護航。嫦娥六號探測任務(wù)中，一臺3000N發(fā)動機安裝在軌道器上，在全任務(wù)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(wù)還安裝和應(yīng)用了比較多的姿態(tài)控制發(fā)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(fā)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(tài)控制發(fā)動機，推力有150N、120N、25N 和10N 這四種。

嫦娥六號探測任務(wù)為什么要采用上百臺發(fā)動機？

現(xiàn)在可以回答最開始的問題了：嫦娥六號探測任務(wù)為什么要采用上百臺發(fā)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(fā)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(fā)動機系統(tǒng)，需要的推力需求和使用方式差別很大，因此發(fā)動機的種類也就多；

另一方面，不同飛行段姿態(tài)控制需要不同方向的發(fā)動機來保證。這一點，可以參照飛機飛行時的姿態(tài)控制來理解：飛機重量、速度變化范圍較小，除了發(fā)動機，還采用了副翼、襟翼、前緣縫翼、擾流板等多種氣動結(jié)構(gòu)件的組合，來實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。而航天飛行器除了主發(fā)動機提供速度控制外，還需要發(fā)動機組合來實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制，例如軌道器有8臺50N、18臺25N、12臺10N共38臺發(fā)動機，上升器有8臺120N、12臺10N共20臺發(fā)動機。

可以說，航天發(fā)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(shù)研究院研究員