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　　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),也是世界航天史上的重要里程碑。在這次任務(wù)中,采用了107臺發(fā)動機(jī),而且都是液體火箭發(fā)動機(jī)。

　　一般來說,運(yùn)輸器發(fā)動機(jī)數(shù)量是比較少的,比如說汽車是一臺發(fā)動機(jī),飛機(jī)發(fā)動機(jī)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(jī)?

　　讓我們先看看火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)原理。

　　火箭發(fā)動機(jī)是如何推進(jìn)火箭的?

　　不同發(fā)動機(jī)驅(qū)動原理差別比較大。

　　比如汽車,是通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動輪胎作用于地面產(chǎn)生反作用力來行駛。特點(diǎn)是作用于第三物體;而飛機(jī)上的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)是通過噴出氣體產(chǎn)生反作用力來提供推力,其特點(diǎn)是通過噴氣產(chǎn)生反作用力。從這一點(diǎn)來說,火箭更接近于飛機(jī)。

　　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(jī)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(yùn)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(jìn)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(jìn)力,而這個被扔出去的物體呢,我們把它稱為“工質(zhì)”。目前,所有的推進(jìn)都是由“工質(zhì)”推進(jìn)的,至于無“工質(zhì)”推進(jìn)一直是科幻的題材。

　　火箭發(fā)動機(jī)的工質(zhì)就是噴出去的高溫燃?xì)?其能量來自燃料和氧化劑中蘊(yùn)含的化學(xué)能,而燃料和氧化劑就是發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑。液體火箭發(fā)動機(jī)的排氣速度一般在3000~4500米/秒,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(jī)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(yùn)載火箭發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道,飛行時(shí)間2210秒,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900秒,釋放剩余中的約40%;

　　第四個階段:月面上升,飛行360秒,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(jìn)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(shí)間內(nèi)完成的,這充分體現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機(jī)功率密度巨大的特點(diǎn)。

　　功率密度是單位質(zhì)量(或體積)在單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量。據(jù)測算,長征五號發(fā)射時(shí)的功率相當(dāng)于三個三峽大壩滿負(fù)荷運(yùn)行,單臺120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)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(jī)

　　下面介紹一下本次任務(wù)中最具特色的三種發(fā)動機(jī)。

　　其中,120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)是中國現(xiàn)役最大推力的發(fā)動機(jī)。它采用液氧和煤油作為推進(jìn)劑,具有密度比沖高、貯存性能好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是我國新一代運(yùn)載火箭系列的主心骨。它的單臺發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑流量超過400千克/秒,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8臺這種發(fā)動機(jī),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(jī)的研制。

　　第二種,7500牛變推力發(fā)動機(jī)可以說是嫦娥工程的功勛發(fā)動機(jī),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(shí)現(xiàn)著陸月球表面的關(guān)鍵。在嫦娥六號探測任務(wù)中,7500牛變推力發(fā)動機(jī)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(jìn)劑。

　　第三種,3000牛發(fā)動機(jī)具有高性能、高可靠、輕質(zhì)小巧等特點(diǎn),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(hù)航。嫦娥六號探測任務(wù)中,一臺3000牛發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)。除了長征五號第二級火箭采用4臺300牛、4臺150牛和2臺60牛發(fā)動機(jī)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(jī),推力有150牛、120牛、25牛和10牛這四種。

　　嫦娥六號探測任務(wù)為什么要采用上百臺發(fā)動機(jī)?

　　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(jī)?

　　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(jī)要推舉的重量變化近千倍,每一部分都需要有獨(dú)立的發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)來保證。這一點(diǎn),可以參照飛機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)控制來理解:飛機(jī)重量、速度變化范圍較小,除了發(fā)動機(jī),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(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。而航天飛行器除了主發(fā)動機(jī)提供速度控制外,還需要發(fā)動機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制,例如軌道器有8臺50牛、18臺25牛、12臺10牛共38臺發(fā)動機(jī),上升器有8臺120牛、12臺10牛共20臺發(fā)動機(jī)。

　　可以說,航天發(fā)動機(jī)注定是多種多樣、變化多端的。