空間推進(jìn)系統(tǒng)：中國(guó)衛(wèi)星事業(yè)的“推進(jìn)器”
——上海空間推進(jìn)研究所空間推進(jìn)系統(tǒng)研制記

本刊記者/李 輝

空間推進(jìn)系統(tǒng)：中國(guó)衛(wèi)星事業(yè)的“推進(jìn)器”
——上海空間推進(jìn)研究所空間推進(jìn)系統(tǒng)研制記

本刊記者/李 輝

前排右一為第一完成人周紅玲，左一為第二完成人袁磊，右二為第三完成人徐繁榮，左二為第四完成人何永英。后面為研制人員正在進(jìn)行衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)裝配

本期“走近科學(xué)”我們將介紹上海空間推進(jìn)研究所獲得2011年度上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的“風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)”項(xiàng)目。

風(fēng)云三號(hào)是我國(guó)首個(gè)被納入世界氣象組織全球衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的衛(wèi)星，于2000年11月正式獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)。2008年5月27日成功發(fā)射A星，2010年11月5日成功發(fā)射B星，兩星至今在軌穩(wěn)定運(yùn)行。未來，將會(huì)有8-12顆風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星在軌組網(wǎng)運(yùn)行。它們將持續(xù)為我國(guó)和周邊國(guó)家提供高精度氣象服務(wù)。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星主要由控制、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、測(cè)控、熱控、數(shù)傳、天線等多個(gè)分系統(tǒng)組成，其中推進(jìn)系統(tǒng)是衛(wèi)星極其重要的核心分系統(tǒng)之一，是整星的動(dòng)力裝置。每一顆風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)都是或?qū)⑹怯缮虾？臻g推進(jìn)研究所研制的。

研制積累：從1960年代開始

推進(jìn)系統(tǒng)作為衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng)，其核心功能是保證衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌并維持在軌位置和姿態(tài)。推進(jìn)系統(tǒng)性能的好壞，直接影響衛(wèi)星的入軌精度和在軌壽命。

衛(wèi)星上運(yùn)載的載荷，如分光計(jì)、濕度計(jì)等，是風(fēng)云三號(hào)發(fā)揮氣象監(jiān)測(cè)功能的核心部件，而空間推進(jìn)系統(tǒng)之于衛(wèi)星，類似于發(fā)動(dòng)機(jī)之于汽車，屬于衛(wèi)星的運(yùn)載裝置。當(dāng)然也有所不同，一輛汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，只是其裝在前面的一個(gè)機(jī)械裝置。而推進(jìn)系統(tǒng)還包括燃料、點(diǎn)火設(shè)備等相關(guān)配置，其設(shè)計(jì)需要考慮機(jī)械、電子、熱能、信息，甚至化學(xué)作用和排放污染等多方面問題。更加不同的是，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)每行駛一定里程可以去4S店做維修保養(yǎng)，而推進(jìn)系統(tǒng)隨衛(wèi)星在遙遠(yuǎn)的太空飛行，維修保養(yǎng)是不可能的，一切都必須依靠其自身的高度可靠。

上海空間推進(jìn)研究所不僅是風(fēng)云三號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)的研制單位，事實(shí)上他們也是我們國(guó)家指定的唯一專門從事中小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的機(jī)構(gòu)。在此領(lǐng)域，他們已經(jīng)有了將近半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)積累。

上海空間推進(jìn)研究所的前身是成立于北京的航天二院21所，其后搬遷至上海并改稱上海航天動(dòng)力機(jī)械研究所，2006年12月31日，正式更名為現(xiàn)有名稱。該所從上世紀(jì)60年代在國(guó)內(nèi)最早開始研制導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)；70年代開始研制運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（包括主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)）；80年代開始承擔(dān)衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制，目前仍是國(guó)內(nèi)唯一；90年代至今，致力于空間推進(jìn)系統(tǒng)研制，產(chǎn)品應(yīng)用范圍涉及導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站、深空探測(cè)器等多個(gè)領(lǐng)域，配套研制的運(yùn)載火箭推進(jìn)系統(tǒng)已連續(xù)成功飛行近120發(fā)。除了本文介紹的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星，我國(guó)現(xiàn)有長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭、多個(gè)型號(hào)衛(wèi)星、神舟系列飛船、天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室以及未來空間站、載人登月、火星探測(cè)等項(xiàng)目，其空間推進(jìn)設(shè)備都是或?qū)⑹怯煽臻g推進(jìn)研究所研制。

上海空間推進(jìn)研究所因?qū)︼L(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星A/B星推進(jìn)系統(tǒng)的研制而獲得上海市政府所獎(jiǎng)勵(lì)的科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，這在歷史上是第一次。實(shí)際上，上海空間推進(jìn)研究所獲獎(jiǎng)次數(shù)頗多，只是由于之前所研制的推進(jìn)系統(tǒng)均屬國(guó)防保密范疇，所以只在軍方系統(tǒng)報(bào)獎(jiǎng)和獲獎(jiǎng)，鮮為公眾所知。

推進(jìn)系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)+燃料貯存+分配供應(yīng)

推進(jìn)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于“推進(jìn)”。對(duì)于導(dǎo)彈、火箭而言，推進(jìn)系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)讓導(dǎo)彈和火箭起飛、升高，并維持其預(yù)定彈道。衛(wèi)星一旦被火箭送到大氣層之外的軌道上，火箭離開，接下來的運(yùn)行就靠推進(jìn)系統(tǒng)了，作為動(dòng)力裝置，它擔(dān)任著把衛(wèi)星送入工作軌道，并使衛(wèi)星在工作期間保持在所要求的位置上，以及根據(jù)要求隨時(shí)改變軌道和姿態(tài)等任務(wù)。

根據(jù)能源——也就是推進(jìn)劑——類型的不同，推進(jìn)系統(tǒng)有化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、核能推進(jìn)以及輻射推進(jìn)等多種類型，其中化學(xué)推進(jìn)劑又分為液體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星采用的是液體肼推進(jìn)劑。如何提供、分配、燃燒肼，正是推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)所在。推進(jìn)系統(tǒng)在功能上分為三個(gè)子系統(tǒng)：增壓子系統(tǒng)，推進(jìn)劑貯存與分配子系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)。

增壓子系統(tǒng)的作用是提供一定范圍的擠壓壓強(qiáng)，確保推進(jìn)劑能夠在液路管網(wǎng)系統(tǒng)中正常流動(dòng)；推進(jìn)劑貯存與輸送子系統(tǒng)的作用是貯存推進(jìn)劑，并根據(jù)任務(wù)需要將推進(jìn)劑向不同的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊進(jìn)行分配和輸送；發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的作用主要是根據(jù)任務(wù)需要，將流入的推進(jìn)劑催化分解為高溫燃?xì)猓⒔?jīng)噴管高速噴出，提供滿足姿態(tài)和軌道控制需求的沖量。

類似于運(yùn)載不同的物品需要不同的車輛配置。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星有自身的物理特點(diǎn)，如何讓具有這樣特點(diǎn)的衛(wèi)星在氣體作用、地球吸引之下，保持在軌道上運(yùn)行和維持健康的姿態(tài)，需要定制的推進(jìn)系統(tǒng)。雖然我國(guó)之前的氣象衛(wèi)星均有推進(jìn)系統(tǒng)，但是作為新一代極軌衛(wèi)星的風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星，其新的特點(diǎn)給推進(jìn)系統(tǒng)帶來了新的難題。

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星共裝載了歷史最多的11種有效載荷，這為空間推進(jìn)系統(tǒng)帶來了前所未有的13種難題

新型制作：應(yīng)對(duì)5種前所未有的難題

風(fēng)云三號(hào)與國(guó)內(nèi)早期發(fā)射的同類衛(wèi)星相比，突出的特點(diǎn)是有效載荷多。整顆衛(wèi)星上共裝載了11個(gè)有效載荷，帶有35個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。

載荷增多，將會(huì)帶來力矩問題。35個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的工作模式各不相同，在有限的空間里，有的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，有的變速轉(zhuǎn)動(dòng)，有的快速和慢速交替運(yùn)動(dòng)，相互之間一定會(huì)造成力矩干擾。對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)做出控制，一定要求各組件在整星需要時(shí)，迅速響應(yīng)——對(duì)燃料進(jìn)行分配和供給，以保證衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)不發(fā)生紊亂。

載荷增多，也將會(huì)帶來磁矩問題。作為氣象衛(wèi)星，很多儀器都是根據(jù)電磁波來探測(cè)氣象數(shù)據(jù)的。但是由于各個(gè)儀器的電磁波頻率不同，天線之間一定會(huì)互相干擾。推進(jìn)系統(tǒng)作為服務(wù)系統(tǒng)，一方面自身的電磁信號(hào)不能影響別的功能組件，另一方面還要具備良好的電磁兼容性，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下可靠工作。在我國(guó)，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)在磁矩方面的要求，是從風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星才開始的。

載荷增多，意味著推進(jìn)系統(tǒng)所占空間受到很大的約束。衛(wèi)星上空間有限，給載荷足夠大的空間，就要求推進(jìn)系統(tǒng)在衛(wèi)星有限的空間里進(jìn)行更緊湊的布局和更模塊化的設(shè)計(jì)，將更寬闊的空間留給各種各樣的探測(cè)儀器。對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)有這樣苛刻的要求也是第一次。

載荷增多，還意味著防污染要求增高。發(fā)動(dòng)機(jī)噴出來的排放物需保證不污染別的儀器，這就要求更優(yōu)化的布局、更清潔的排放標(biāo)準(zhǔn)——類似于汽車的O3、O4標(biāo)準(zhǔn)。而在之前發(fā)射的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中，也都沒有這樣的要求。

除了載荷增多引發(fā)的新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)系統(tǒng)的壽命也有了新的要求。之前的太陽同步衛(wèi)星，都是兩年的壽命。而風(fēng)云三號(hào)A星，設(shè)計(jì)要求是在軌壽命2年，考核則要求3年；B星設(shè)計(jì)在軌壽命為3年，考核則要求5年。這樣的要求，對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)來說，意味著在貯箱容積和總質(zhì)量不變的約束條件下，采取新的技術(shù)提高推進(jìn)劑的利用效率。

這5個(gè)難題，對(duì)應(yīng)于推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是13個(gè)技術(shù)難關(guān)。這13大難關(guān)的攻克，正是風(fēng)云三號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新之處，也正是上海空間推進(jìn)研究所獲得這次上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)的基礎(chǔ)。

產(chǎn)品試驗(yàn)：3個(gè)階段5種考驗(yàn)

雖然對(duì)空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制在之前的衛(wèi)星中已經(jīng)有一定的積累，但用液體推進(jìn)劑作為能源，在整個(gè)上海航天領(lǐng)域還是第一次，所以立項(xiàng)之初，很多研制人員都心懷忐忑。

整個(gè)研制過程分為三個(gè)階段，方案；初樣；正樣。2000-2002的兩年，是方案階段。2002-2005的三年，是初樣階段。2005-2008的三年，是A星的正樣階段；后來的B星，基本設(shè)計(jì)和生產(chǎn)與A星一樣，但也需要再做正樣。

在方案階段，設(shè)計(jì)人員最重要的任務(wù)是攻克破解5種難題的13個(gè)技術(shù)難關(guān)。上海空間推進(jìn)研究所對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)一體化作業(yè)。設(shè)計(jì)人員畫好圖紙后，直接交付車間加工，制出推進(jìn)系統(tǒng)。這一階段最重要的工作是全系統(tǒng)可行性熱試車，就是把所有組件集成起來按真實(shí)工作條件點(diǎn)火工作，從而考核整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否可行。

做這樣的試驗(yàn)是在上海佘山的試驗(yàn)站進(jìn)行的。在上海，推進(jìn)系統(tǒng)單個(gè)的組件以前都做過熱試車，但是合起來進(jìn)行全系統(tǒng)熱試車，是前所未有的，所以可以說這次可行性熱試車是上海的第一次。熱試車試驗(yàn)最后圓滿完成，設(shè)計(jì)人員對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案終于有所放心。

做完試車之后，轉(zhuǎn)向初樣階段。初樣階段是對(duì)所有組件開展試驗(yàn)，即每一個(gè)組件不僅要承受熱環(huán)境，還要承受在發(fā)射過程中的強(qiáng)烈振動(dòng)、沖擊、噪聲等力學(xué)環(huán)境。這一方面的試驗(yàn)稱為鑒定試驗(yàn)。

然后是可靠性試驗(yàn)，推進(jìn)系統(tǒng)裝好之后，需要隨衛(wèi)星一起經(jīng)受發(fā)射之后的各種環(huán)境的考驗(yàn)——高低溫、振動(dòng)、噪聲、真空，等等。試驗(yàn)中的環(huán)境，往往設(shè)定的比衛(wèi)星真實(shí)經(jīng)歷的環(huán)境還要復(fù)雜和嚴(yán)酷。

經(jīng)受了各種外部條件的考驗(yàn)之后，推進(jìn)系統(tǒng)還要隨整星，與火箭合在一起試驗(yàn)，也就是將整個(gè)衛(wèi)星與火箭對(duì)接起來，在發(fā)射場(chǎng)上做一次試驗(yàn)。這種試驗(yàn)稱為合練。合練驗(yàn)證的是推進(jìn)系統(tǒng)與發(fā)射場(chǎng)接口的匹配性和協(xié)調(diào)性。特別是，作為推進(jìn)劑的肼，是一種有毒燃料，這種燃料的加注是在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行的，必須要確保加注和后續(xù)使用過程不能有一絲一毫的泄漏，否則將嚴(yán)重危害人身和產(chǎn)品安全。

還有一個(gè)試驗(yàn)，與推進(jìn)系統(tǒng)從上海運(yùn)達(dá)發(fā)射場(chǎng)太原有直接關(guān)系，就是運(yùn)輸試驗(yàn)。通常來說，推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，是需要振動(dòng)保護(hù)措施的。往返基地，一般是將整星裝入包裝箱后，裝在平板車上放在鐵路上運(yùn)輸。但不巧的是，這次運(yùn)輸試驗(yàn)中，火車剛出上海不久，包裝箱下面的減振設(shè)備就發(fā)生了故障，也就等于說，推進(jìn)系統(tǒng)在拉往太原基地的上千公里的路上，一直沒有減振裝備的保護(hù)。但到了太原后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)沒有損壞，其電學(xué)、化學(xué)性能也沒有出問題。由于這次試驗(yàn)只有推進(jìn)系統(tǒng)采用了完全真實(shí)的產(chǎn)品，也就是說，只有推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)受了這樣嚴(yán)酷條件的考核。著名航天專家孫敬良院士知曉此事后說，推進(jìn)系統(tǒng)這樣都沒問題，可靠性肯定是很高的。在試驗(yàn)之后，推進(jìn)系統(tǒng)又在沒有減振保護(hù)的情況下拉回上海，再做全系統(tǒng)熱試車，各項(xiàng)指標(biāo)依然達(dá)標(biāo)。整個(gè)設(shè)備的可靠性再次得到證明。

在接受了各級(jí)別的嚴(yán)苛試驗(yàn)后，推進(jìn)系統(tǒng)最終進(jìn)入發(fā)射階段，不負(fù)眾望，推進(jìn)系統(tǒng)至今仍運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

期待新的“推進(jìn)”

在授獎(jiǎng)名冊(cè)上，獲獎(jiǎng)人員一共有10人——周紅玲、袁磊、徐繁榮、何永英、黃含冰、朱智春、陳志堅(jiān)、喬梅、曹根龍、李向黨。但實(shí)際上，按照這一項(xiàng)目技術(shù)副負(fù)責(zé)人袁磊研究員的說法，參與研制工作的人員遠(yuǎn)不止此，項(xiàng)目管理、質(zhì)量管理、組件設(shè)計(jì)、原材料供應(yīng)、物資供應(yīng)、車間加工和裝配、各種性能檢測(cè)和試驗(yàn)等等，至少有200號(hào)人參與當(dāng)中。一項(xiàng)工程往往是集體的成果，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制更是如此。

建所40多年來，上海空間推進(jìn)研究所大幅度拓展產(chǎn)品應(yīng)用范圍，其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、載人飛船、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、深空探測(cè)器等五個(gè)空間推進(jìn)領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)航天產(chǎn)品覆蓋面最廣的研究所，所有參加發(fā)射的產(chǎn)品均取得了100%的成功。我們期待上海空間推進(jìn)研究所做出新的更大的成績(jī)！