第7章 走向深空，面向未来
通过液体推进技术的不断发展，航天六院引领中国航天完全具备了制造和发射多种轨道空间飞行器的能力，保障了航天器的在轨长期可靠运行，在安全性、可靠性、成功率和入轨精度等方面达到了国际领先水平。以新一代运载火箭发动机、先进上面级发动机、探月工程变推力发动机、空间飞行器高性能变轨发动机以及各种新兴航天推进技术为代表，自主研制的国家重点型号发动机，突破了一系列关键和核心技术。尤其是液氧煤油发动机、液氢液氧发动机为代表的液体动力技术，达到了世界一流水平。
2020年7月23日，长征五号运载火箭在中国文昌发射场点火起飞，宣告我国迈出了行星探测的第一步——奔向火星。首次执行应用型发射的长征五号运载火箭不辱使命，成功将天问一号火星探测器送入预定轨道。
天问一号任务是我国建设航天强国进程中的重大标志性工程，是中国航天走向更远深空的里程碑工程。这其中，由航天六院研制交付的78台各型发动机，推举长征五号遥四运载火箭，助力天问一号探测器，将液体动力的贡献贯穿全程，在浩瀚宇宙中书写出一个又一个新的奇迹。
长征五号运载火箭代表了我国运载火箭科技创新的先进水平，为探月工程、深空探测、载人航天等重大专项的顺利实施奠定了坚实基础。在这次发射任务中，长征五号遥四运载火箭上配置了由航天六院研制生产的新一代绿色无污染的8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环氢氧发动机及18台作为辅助动力的姿控发动机，为天问一号探测器向着火星的漫漫星途提供强劲可靠的动力保障。
2021年5月15日，经历四次轨道中途修正，按计划实施火星捕获，顺利进行绕火飞行，传回首幅火星图像，成功进入火星停泊轨道……经过在浩瀚星空中将近10个月的漫长飞行和发动机的数次点火，天问一号着陆巡视器与环绕器实现分离，成功软着陆于火星表面。着陆后，祝融号火星车成功传回遥测信号，实现了人类航天史上的又一次壮举，竖起了中国航天史上的又一座激动人心的里程碑。
绕火星飞行，是我国第一次火星探测三步走任务“绕、着、巡”中的第一步，也是整个火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。超过4.75亿公里的飞行距离里，天问一号始终以太阳为中心飞行，力保在探测器到达火星轨道时，火星也刚好达到，从而实现被火星捕获，成为围绕火星飞行的一颗卫星。
只有实现这个前提才能完成后续探测器进入着陆前的停泊轨道、实施着陆和开展火星表面工作等一系列关键动作。这一过程，也可以理解为一辆行驶在高速公路上的汽车即将寻找一个准确的时机进入匝道，这要求对它的当前位置做出精准的测量，并保证能够稳、准、狠地踩下刹车。这是一个一次性不可逆的过程，如果一旦发动机未能点火，或是点火姿态出现问题，将会导致整个任务失败。
由航天六院研制生产的3000N轨控发动机就是肩负着近火制动任务的关键。要确保在15分钟左右的时间里，把探测器与火星的相对速度从每秒5.1公里降低到每秒4.5公里，这要求发动机不仅要快速点火启动，还要保证在额定点长时间连续稳定工作。在“探火之旅”的整个过程中，六院为我国深空探测任务专门研制的3000N轨控发动机承担着三项任务，一是地球转移到火星过程中的姿态修正，二是在接近火星时的“刹车制动”，三是在火星附近的轨道调整。该型发动机从2010年立项到2016年定型，经历了多项考核，充分验证了各项关键技术，具有高比冲、多次起动、长寿命、环境适应性良好等优点。
相较之前的探月任务有所不同，火星表面存在以二氧化碳为主要成分的稀薄大气，会在发动机下降过程中带来摩擦生热等问题。因此探测器着陆方式也从之前月球真空环境下的变推力发动机反推着陆，改变为降落伞和变推力发动机共同作用。航天六院研制团队还对变推力发动机表面的涂层材料做了改进，以更好地适应100m/s的火星大气来流对发动机涂层的冲刷等影响。用绿色、先进、可靠的液体动力技术，护送祝融号火星车安全踏上火星地表。
在天问一号探测器上，航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的推进分系统，共计48台大大小小的发动机。它们分别为着陆巡视器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供了可靠动力，为环绕器系统提供轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。当进入合适的着陆时机，天问一号在3000N轨控发动机作用下，下降到距离火星100公里的高度，实现环绕器和着陆巡视器分离。
为使着陆巡视器降低运行速度达到着陆要求，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机接续发挥关键作用，为着陆巡视器动力减速、悬停避障和缓速下降等软着陆任务提供轨控推力。
该型发动机是航天六院研制团队在借鉴探月任务中7500N变推力发动机工程经验基础上，根据火星探测任务全新设计制造的。并且相较之前探月任务中同样推力的7500N发动机，为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求，并提升发动机性能，研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案，从而保证了相同推力情况下，发动机体积更小、性能更高。加上不断创新和优化生产工艺，有效实现了推进分系统的轻质化需求。
与此同时，环绕器在3000N发动机作用下，高度开始抬升，回到环火轨道，对火星全球环绕探测，持续为火星表面探测和地球的通信担当中继卫星。在此过程中，两器推进分系统中的小姿控发动机，也起到了不可替代的作用，与上述两型发动机一起，成就了探测器环火和着陆时精准的身姿。
时延，是人类进行深空探索面临的共同难题。与嫦娥三号探测器类似，天问一号在降落过程中有降速、悬停、缓速下降等动作，对发动机实时响应能力要求很高。但此前“嫦娥”探月时，时延只有一两秒，感觉并不明显，大多数时候地面仍可以直接控制探测器的动作。然而当天问一号到达火星时，探测器状态信号需要在宇宙空间里跑11分钟左右才能到达地球，地面上的操控人员即使能实时做出判断回复，到达探测器时又已经过去了11分钟，早就错过了合适的动作时机。因此，在推进分系统的前期设计中，六院研制团队使用了自主管理系统，让探测器自己判断突发情况自己采取行动化解，实现当判断动作时机到来时，天问一号能够自动执行任务。
按照计划，近火捕获开始15分钟后发动机点火就会结束，但因为飞行的轨道设计，发动机点火开始后没多久，天问一号就飞到了火星背面的“星掩区”，火星的遮挡完全中断了探测器和地球之间的通信。为实现自主管理，确保任务顺利完成，航天六院研制团队开展“头脑风暴”，分别为环绕器和着陆巡视器设想了10余种自主管理方案和故障预案，比如发动机贮箱欠压、超压等；为推进分系统开展了发动机故障自主切换冗余设计，配置了制导导航和控制系统等保障。
除此之外，推进剂加注历来是航天器在发射场工作的重中之重。火星探测器加注是金属膜片贮箱和表面张力贮箱在一次任务中同时加注，也是两个叠加的航天器一次性实施加注，因贮箱结构不同，加注方案差异很大，加注量精度和加注均衡性要求高，加注时间漫长，整个过程需要8个昼夜，技术难点大，也是国内首次正式实施的高难度高风险加注任务。为此，航天六院推进分系统研发团队开展了充分有效的准备工作，反复研究加注方案和流程，完善每一个细节和步骤，准备了近20份各类细则和预案，对200多套设备进行仔细检查和确认，最终确保加注全程实现了点滴不漏的高标准要求。
当液体动力之火点亮浩渺的太空，航天六院人将血脉融进航天强国的洪流；当新时代奋进的步伐愈加坚强有力，六院人在日月星辰间谱写出忠诚与荣耀。几十年来，航天六院先后成功研制了100多种技术先进、拥有完全自主知识产权的液体火箭发动机，形成了完整的航天液体动力产品系列，建立了自成体系的液体动力研制和生产能力，满足了国防现代化建设和国民经济发展对液体动力的需求，为中国航天实现技术跨越与持续发展，奠定了坚实的动力基础。
梦想有多远，责任就有多大。航天六院始终坚守航天报国初心，勇担航天强国使命，用精益的质量实现成功的目标，把成功的信念转为拼搏的动力，助推中国航天飞得更稳更高更远。探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。航天六院将始终先行一步，行稳至远，为我国深空探测提供源源不断的强劲动力。陕西、北京、上海、武汉的液体动力人，在推举中国航天飞得更高更远的征程中，同舟共济，艰苦奋斗，将持续研制交付不同推力、不同种类的火箭发动机及空间推进系统，接力推举火箭及卫星遨游太空，树立起中国航天事业发展史上的一座座丰碑。
（本章撰稿、统稿：朱怡蓝）