助力“三姑娘”轻盈落月的秘密

□ 秦川

2013年12月14日21时11分，嫦娥三号飞越38万千米征程，在天宇划出一条美丽的弧线后，轻盈地落在月面上。至此，中国成为继美苏后第三个实现月面软着陆国家。

从一飞冲天到地月转移、近月制动、环月飞行，再到轻盈落月，嫦娥三号在7500牛变推力发动机等组成的动力系统的精准支撑下，顺利完成了“地月之旅”。

7500牛变推力发动机首秀

12月14日20时30分，“嫦娥三号”在近月点高度约15千米、远月点高度约100千米的椭圆轨道上稳定运行。北京航天飞行控制中心向其发送指令，嫦娥三号调整姿态，收拢太阳翼，做好降落准备。

从15千米高度降至月球表面，这惊心动魄的12分钟被称为“黑色12分钟”。这期间，人工干预的可能性几乎为零。

12月14日21时整，嫦娥三号从月面上方约15千米处开始实施动力下降。3000米，2400米，2000米，1000米……在7500牛变推力发动机的反推作用下，嫦娥三号缓缓下降，距月面越来越近。100米，50米，20米，5米……在距离月面4米时，7500牛变推力发动机关机，嫦娥三号相对月面速度接近为零，稳稳悬停在月球上空。

“在月球表面能否实现软着陆，是嫦娥三号任务关键中的关键，落月过程发动机推力变化很大，是整个动力系统研制的难点所在。”火箭发动机专家、中国航天科技集团公司第六研究院院长谭永华说。

2013年12月14日20时59分52秒，嫦娥三号月球探测器从高度15千米的近月点实施动力下降，整个过程约720秒

为使嫦娥三号迈出亲密接触月球的第一步，中国航天科技集团公司第六研究院（简称“航天六院”）为其量身订制了7500牛变推力发动机，这也是我国首台具备大范围变推力工作能力的液体发动机。

此次嫦娥三号任务，7500牛发动机是首次运用于探测器上。7500牛变推力发动机从地月转移飞行即开始工作，完成两次中途修正。转入环月飞行后，嫦娥三号在距月面100千米高度进行制动。在近月15千米左右时，变推力发动机开始根据即时速度不断调整推力指令执行下降工作，15千米到2千米高度完成主减速和姿态调整，2千米到100米高度缓慢下降，探测器要在下降中随时悬停，识别并避开大的月面障碍，100米到4米高度开始避开小的月面障碍，缓慢下降到4米后实施软着陆。

嫦娥三号月球探测器落月过程

2013年12月1日下午5时，静卧在勤务塔中的嫦娥三号

精心打造嫦娥三号动力

位于西安航天基地的航天六院，是我国唯一集运载火箭主动力系统，轨姿控动力系统及空间飞行器推进系统研究、设计、生产、试验为一体的专业研究院，几年前，他们义无反顾地接过了嫦娥三号动力系统的研制重任。

嫦娥三号此次月面软着陆是在真空环境下进行，不能利用大气摩擦实现减速。只有研制变推力发动机，才能满足探测器中途修正、近月制动和动力下降等。与嫦娥一号、二号相比，嫦娥三号推进分系统是一个全新的动力系统。它由1台7500牛变推力发动机和若干台姿控发动机组成。研制难度、技术与控制精度要求之高前所未有。

据介绍，动力系统在以7500牛状态工作时，7500牛发动机追求性能最优；在1500牛～5000牛工作时，要确保任意推力可调的绝对可靠。在探测器奔月过程中，7500牛发动机要经过点火，为探测器校正轨道，验证发动机能否正常工作；抵达近月点时再次点火，推动探测器变轨，使其进入环月轨道。

落月时，7500牛发动机根据预定设计，进行变推力调节工作，这就要求发动机必须灵活地调节动力，让探测器平稳地落到月面，落月过程须自主完成不受地面控制，发动机经受的考验无疑是巨大的。

常规情况下，从论证设计到产品交付，研制一种新型发动机至少需要10年时间。7500牛变推力发动机5年即交付，产品质量如何保证？人们可以从一张质量复查单中找到“蛛丝马迹”：着陆器推进分系统200多根导管、400多条焊缝管路、400多处螺钉连接部位，活接头部位近100处……单从这些可精确追溯到每一个人的数字里，就能看出航天六院在管控质量方面所下功夫之深。

7500牛变推力发动机如何炼成

一般卫星的发动机最大推力只有490牛，神舟系列载人飞船发动机的推力也只有2500牛，由此看出7500牛发动机与以往航天器上的发动机相比绝对是个“大家伙”。

7500牛发动机的研制难度不仅仅是推力的大幅增加，更大的难度是要突破大范围变推力、高精度控制、高性能长寿命等关键技术。只有攻克了这些关键技术，才能为探测器中途修正、近月制动、落月软着陆等提供安全保障。其研制难度也是美俄等航天强国公认的。

在多年的研制过程中，发动机的相关试验就进行了100多次，点火试验累计达到6万多秒，就是为了发动机在轨工作的1200秒不出任何问题。

研制7500牛发动机经历了太多坎坷。首先的难关就是控制质量。这么大推力，为了追求高性能，研制人员都希望能把发动机喷管做得大些。然而受到质量、结构尺寸等条件限制，发动机设计上必须进行综合优化。由于探测器上有为完成落月动作而设计的“四条腿”，即着陆缓冲系统。如果发动机设计在探测器的下方，势必要把“着陆腿”加长，而这样，又容易带来着陆不稳等新问题。

其次，发动机工作时，需要对外大量散热。为了不影响探测器上仪器设备的正常工作，必须用隔热屏隔热，但这又会影响到发动机的散热，使发动机的可靠性受到影响。因此，研制人员只能煞费苦心地通过优化设计、试验验证、设计改进来一步步解决这一难题。

另外，发动机推力室喷管采用特殊合金材料，内、外涂高温抗氧化剂涂层，壁身最薄处仅零点几毫米。由于喷管为变壁厚、变型面的特型结构，为了确保喷管型面的精确，采用了整体成型、整体加工的方式，堪称科技与工艺的完美结合。

谭永华说：“探月工程绕、落、回三步走的任务，我们已经完成了前两项，如何保证中国的月球探测器能够安全返回地球，我们正在对动力系统实施研制攻关。不久的将来，我们还要实现载人登月的梦想，对航天六院人来说，更加任重道远。”