【解密天鹊】发动机这个“大乐高”该怎么拼

火箭发动机总装的二三事

最近,蓝箭航天“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机完成装配的消息让不少读者兴奋不已。总装的完成,是一型发动机作为一个整体的首次面世。虽然发动机只是火箭的一个部分,想把她成功的组装在一起可不是一件容易的事。这需要总装设计师、工艺设计师、装配人员通力合作。

拼?先要设计好

总装的设计方案,直接决定了发动机结构是否协调可靠、装配对接和使用维护是否快速方便、通用扩展是否简单易行,当然,还直接决定了发动机的“颜值”。

发动机采用什么摇摆方式?发动机各组件如何放置和连接?管路怎么走才合理?跟火箭、伺服机构怎么连接?采用什么材料和制造工艺等等问题,都是总装设计师应该考虑的。

作为一个合格的发动机总装设计师,需要了解火箭总体对发动机的各项要求,同时也要深刻的理解发动机系统和各组合件的工作原理及结构特殊性需求,熟练掌握并运用结构设计、仿真计算、材料工艺、制造装配等知识和工具。从初始的构想到最终的产品,要经历多次的设计、计算、沟通、协调、验证、改进过程,反复迭代,达到性能、质量、成本和可靠性的完美平衡。好了,下面进入看图说话时间。

“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机

上图是一台总装好的“天鹊”,她采用了单台同轴式涡轮泵竖置、泵后摇摆的总体设计方案,发动机泵后管路环向布置,可实现单向、双向摇摆。

发动机需要为火箭提供推力矢量,技术方案可以采用泵前摇摆和泵后摇摆。传统的发动机采用泵前摇摆方案,造成转动惯量增加、重心偏移和各种作用力,给伺服机构带来额外的载荷,增加了火箭控制的难度和成本。而泵后摇摆方案,则能很好的解决这些问题,但技术难度更大,蓝箭航天的”天鹊“发动机已突破相关技术,采用了先进的泵后摇摆。

同时,”天鹊“发动机还大量采用了模块化的设计思路。传统的液体火箭发动机装配和拆卸基本以零组件为单位,装配工艺复杂,装配周期长,使用维护不便,不利于批量生产和维修更换,也不利于发动机的通用扩展。

通过创新的模块化设计思路,”天鹊“发动机设计了各种不同的功能模块,各个模块可并行装配,互换互用,辅以先进的数字化设计、装配和制造技术,可大幅度提升装配质量、缩短装配周期。在此基础上,再配备智能化装配、测试设备,可进一步实现流水线生产模式,为未来发动机的大批量生产打下坚实的基础。

同时,”天鹊“发动机的通用性和扩展性也得到了很大的提高。通过对基础型发动机模块的变化组合,可形成各种不同推力和摇摆方式的并联发动机,适应各类型火箭的需求。发动机绝大多数核心部件将实现通用,可大批量生产并充分考核,以大幅度降低发动机制造成本,提高可靠性。

总而言之,火箭发动机的第一次组装,一定是在火箭发动机设计师的大脑中。小编曾经看过一个美国J-2X火箭发动机设计制造组装试车全过程的视频。庞大的发动机的组装历程就是从设计师手绘的一张草图开始的。

像搭乐高一样搭发动机?没那么简单

设计思路搞定后,就是和装配的衔接问题了,虽说“天鹊”采用的是模块化的工艺设计,但总装设计师们面对的可不仅仅是已经交付好的单机模块拼接问题,而是要把发动机包括推力室、涡轮泵、阀门、总装部件及管路、调节元件等上千个零部组件的空间相对位置精细的考虑清楚,并落实成图纸。

这些图纸将会成为后续工艺人员和工人装配的依据。但再精细的图纸,也不可能避免出现问题,零件的空间位置关系是否到位,极有可能要到总装阶段才能验证。这个过程犹如古代娶亲,虽然经过三媒六聘,但总归是盲婚哑嫁,洞房花烛夜才知脾气秉性美丑德行。而重新设计又是一个牵一发而动全身的过程,这对于向来强调倒排计划的航天人来说,造成的影响是很大的。

“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机装配

”天鹊“发动机在设计过程中,采用了全三维数字化设计和计算机仿真技术来搞定图纸的问题,但是图纸并不是万能的,不知道大家有没有遇到过这样一种情况,你极其顺利的拆了一个闹钟,却无论如何都无法把它按照原样安装回去,甚至会发现多了几个零件而不知道是哪里的;即便安上了,可能也会发现闹钟总是不如原来的好用。这就是装配时出了问题。一个小小的闹钟尚且如此,火箭发动机这样一个复杂的系统就更不用说了。

任何一个火箭研制单位,都不敢忽视总装环节,特别是发动机的装配质量,直接影响着火箭发射的成败。这是有血泪史的。

1999年11月15日,一枚日本H2型火箭发射升空后严重偏离轨道,在无法挽救的情况下,地面控制中心通过遥控将其引爆。这次失败是由于第一级发动机内部的配管破裂,导致气体泄漏,使发动机停止工作的。

类似的事例有很多。可以说,当所有生产过程走到最后一步,所有零件都集合到一起的时候,装配工人的双手,就是决定火箭发动机质量的最后一步。

掌握发动机“命脉”的人

发动机产品结构复杂,特别是发动机上形状各异的导管,是整个装配的难点。如果发动机被称为火箭的心脏,那么导管就是心脏上的血管,为发动机随时输送血液。任何一根管子的泄漏或破裂都会对火箭造成重大影响甚至导致整个发射的失败。所以,从某种程度上来说,负责发动机总装的工程师们,是名副其实的掌握了发动机“命脉”的人。蓝箭航天智能制造基地发动机生产部工程师彭武龙觉得,为发动机安装导管无异于给心脏做了一次外科手术。

由于火箭总体对发动机空间有极其严格的限制,这些管路不能像树枝一样随意生长,而是必须依照总体要求,弯曲成不同的形状,这样才能保证在飞行过程中,不与火箭的其他结构发生碰撞。但是,发动机上的管路,绝大多数是金属硬管而不是软管,在装配环节,工人必须通过导管的锉修,让这些硬管精准的连在一起,并且严丝合缝。

传统的导管装配,一般首先要进行比试,也就是工人拿着导管到需要装配的位置比量一下,别小看这个步骤,一般人还真做不好它。导管和接口的轴心是否一致,导管的空间位置和间隙是否符合要求,在哪里锯切才能保证导管长度合适,正好匹配导管两端的接口……

如果不合适,那么就要重新进行导管的校正,没有多年的工作经验,是没办法迅速判断出来的。只有比试合格,装配工才敢对导管进行截取和切割,也才能开始后续的对接、焊接工作。

由于每个装配工的操作经验和空间思维想象力的差异,在实际工作中,锉修导管的效率和锉修质量差异很大。

随着技术的发展,数字化制造技术在发动机导管弯管工序得到应用,相比手工弯管,数字化制造的导管是按模型生产的,也就是都是一个模子里出来的,弯曲程度八九不离十,对导管挫修或校形要求更低。有利于后续装配工作。而且,省去了取样比试的过程,工人不用那么麻烦,可以缩短装配周期。

但尽管有数字化技术做支撑,导管的装配,依然是整个火箭发动机装配中的最大难题之一,特别是一个新型好的发动机,在全无经验的基础上,研制人员需要做出比成熟发动机更为艰难的探索,才能形成一套合适的装配流程。

蓝箭航天智能制造基地发动机总装团队

一个都不能“多”

多余物是一个很有意思的名字,它并不是专指某一种东西的,而是一个相对的概念。一件产品,除了图纸中规定的它需要有的零部件,任何东西出现在产品中都属于多余物。小到头发丝,加工时出现的毛刺,大到锤子、扳手、服装……

很多时候,多余物不是故意放进去的,完全是因为粗心大意或者是彻头彻尾的意外,甚至,对于火箭发动机进行检测和吹除等非装配工序,都有可能产生多余物。多余物,可以说是航天工程师们的“死敌”。历史上惨痛的教训,已然让所有人都变得神经紧张。

1965 年,美国“大力神”2 型火箭由于在氧化剂进口处存在一个塑料螺帽而导致火箭在点火后未能起飞。1980 年和1990 年,欧洲空间局的 Ariane 火箭分别由于零部件商标和擦拭布不慎遗留在发动机内,堵塞燃烧室喷嘴和水循环系统管道,导致星箭俱毁。1991年,因一碎片堵塞发动机管道,致使日本BS-2H 通信卫星在高空爆炸。俄罗斯分别在 1999 年、2002 年、2006 年、2007 年、2011 年和2012 年由于金属碎片被吸入涡轮泵、金属碎片堵塞推进器液压泵、堵塞燃料输送管路等原因导致“质子号”和“联盟号”两个系列的运载火箭发生6 次航天事故。

应对多余物的办法之一,是加强现场管理。为此,各大火箭生产单位对装配过程提出了各种各样的要求,小编查找了见诸报端的各种资料,来看看,大家为了防止多余物都做了什么:

  • 比如,工人要穿定制工服、戴帽子,防止头发掉落,也防止杂物和灰尘。
  • 每天对使用的工具都要进行点数。
  • 螺钉,用多少发多少,甚至有专门的盒子,按照大小专门放螺钉。
  • 美女不准化妆,戒指、耳环、项链、发卡,反正,一切首饰都不准戴。

甚至,曾经有过为了防止头发丝,车间全体剃光头的故事。不要和做总装的人说身上少了什么,他可能会立刻回单位去找……就是在这样的精准控制下,”天鹊“完整地呈现在了大家面前。

总装对于蓝箭航天来说极具重要意义,既是研制计划的一次坚实进步,同时也是商业航天公司在新的量级上实践了一台新型发动机的研制总装流程。从装配完成这一刻起,天鹊发动机将陆续迎接考验,此前的一切成果,都会在这里得到证明。

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