“神箭”再出征!“滿分”成績是如何做到的?
2021年06月17日09:40

  原標題:築夢“天宮”|“神箭”再出征!“滿分”成績是如何做到的?

  有“神箭”之譽的長征二號F火箭再次成功發射神舟載人飛船,7次載人發射任務,均取得“滿分”的驕人成績。

  6月17日,長征二號F遙十二運載火箭(簡稱“長二F火箭”)呼嘯升空,成功將載有3位航天員的神舟十二號飛船送入預定軌道。我國載人航天工程空間站在軌建造階段首次載人發射取得圓滿成功,為後續任務順利實施奠定了堅實基礎。

  長二F火箭由航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院(以下簡稱:火箭院)抓總研製,本次任務是長征系列運載火箭的第374次發射。

垂直轉運中的長二F遙十二火箭。 本文圖片來源:航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院。
垂直轉運中的長二F遙十二火箭。 本文圖片來源:航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院。

  全戰全勝的“神箭”

  長二F火箭是專門為我國載人航天工程研製的火箭,也是目前我國唯一一型載人運載火箭。作為一枚“明星”火箭,每一次發射都舉世矚目。長二F火箭使我國成為世界上第三個能夠把航天員送上太空的國家。

  長二F火箭是專門用於載人航天的二級運載火箭,也是目前中國所有運載火箭中系統最複雜的火箭,火箭在1992年立項,1999年首飛。近30年來,長二F火箭全程參與了中國載人航天工程“三步走”戰略的每一步,共執行十餘次任務,其中包括發射5艘無人飛船、2個空間實驗室和7艘載人飛船,均取得圓滿成功,將12名、17人次航天員送入太空,在我國載人航天工程的史冊上,長二F火箭留下了濃墨重彩的一筆。

  長二F火箭載人飛船狀態增加了故障檢測和逃逸救生系統,在火箭頂部帶有逃逸飛行器,全箭可靠性指標0.97,安全性指標0.997,是我國可靠性指標最高的運載火箭。

  雖然發發成功,但為了圓滿完成空間站在軌建造階段的高密度發射任務,中國航天史上這枚技術最複雜、可靠性和安全性最高的航天員“專列”,進行了多項技術改進,讓火箭更可靠、更安全、更靈活。

  火箭院長二F火箭總設計師容易說:“載人航天,人命關天。保障航天員安全進入太空,是每個載人火箭研製人員特殊的使命和責任。”

長二F是我國可靠性指標最高的運載火箭。
長二F是我國可靠性指標最高的運載火箭。

  火箭更可靠

  火箭院長二F火箭總指揮荊木春介紹,此次用於發射神舟十二號飛船的長二F火箭共進行109項技術狀態更改,其中有70餘項與可靠性提升相關。這些改進不涉及重大技術狀態變化,主要是為了消除薄弱環節。

  如針對發動機點火失效風險,將主機傳火孔直徑從4毫米改為6毫米,進一步提升點火可靠性;根據位置不同,對發動機二級遊機推力室噴注口提出更加精細的角度設計要求,使推進劑能夠更加充分地融合、更加高效地燃燒,為火箭提供強勁動力……

  每一處改進,都體現了研製人員對可靠性的不懈追求,背後都意味著無數次的理論分析、數學仿真和試驗驗證。當火箭的可靠性越來越接近1的時候,小數點後每一個數字的微小變化,實現起來都無比艱辛。長二F火箭總體副主任設計師秦曈說:“在可靠性已經相當高的情況下再提升,難度可想而知”。

  長二F火箭總體主任設計師常武權用考試打比方:從50分提高到90分相對容易一些,但從90分提高到91分,甚至91.1分,儘管只有0.1分的提升,但背後的工作並不比從50分提高到90分少。

  在長二F火箭副總師劉烽看來,“為了確保任務成功、確保航天員安全,只要能換來百分之零點零幾,甚至是零點零零幾的指標提升,我們所做的任何工作都是值得的”。

  越是艱難越向前。這支驍勇善戰的隊伍,精益求精,盡善盡美,最終將長二F火箭的可靠性從指標要求的0.97提升到0.9894,再次刷新了紀錄,處於世界前列。

執行此次發射任務的長二F火箭逃逸安控體製進行了更改,提高了保密安全性能和抗干擾性能。
執行此次發射任務的長二F火箭逃逸安控體製進行了更改,提高了保密安全性能和抗干擾性能。

  航天員更安全

  載人航天,人命關天,容不得半點閃失。長二F遙十一火箭在發射神舟十一號飛船時,安全性評估值達0.997,但研製隊伍在追求安全性的道路上從未止步。為確保航天員安全,遙十二火箭逃逸安控體製進行了更改,提高了保密安全性能和抗干擾性能。控製逃逸發動機新增了點火功能,進一步提高了火箭的安全性。

  假如火箭突發意外情況,逃逸系統啟動,逃逸飛行器像“拔蘿蔔”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。返回艙與逃逸飛行器分離後,打開降落傘,緩慢降落到地面。但開傘過程中,返回艙會受到地面低空風的極大影響。

  以前逃逸飛行器只能往一個固定的方向逃逸,存在一定的安全風險。劉烽舉了個例子,“如果說逃逸飛行器只能向東逃逸,正好這時地面吹來一股向西的風,這樣,返回艙處於開傘狀態的時候,很可能又被吹回到故障火箭的附近,航天員就比較危險。”

  研製人員在現有的控製逃逸發動機的基礎上,通過對軟件進行調整,新增發動機點火功能,使逃逸飛行器可以向垂直於地面風的方向逃逸,更加安全、靈活。“比如說,地面刮的是南風或者是北風,現在我的逃逸能力提升了,可以提前選擇與南風或北風垂直的東方向逃逸,避開地面風”,常武權說。

  逃逸系統改進後,火箭安全性評估值達0.99996這一國際先進水平。常武權通俗地解釋了小數點後這一串數字的意義,“就目前的技術狀態,長二F火箭需要發射十萬次,才會有4次逃逸失敗,平均一萬次發射,還不到一次逃逸失敗的情況。在保障航天員安全方面,它比‘萬無一失’的水平還要高一些”。

為了適應空間站任務,此次長二F首次採用了起飛滾轉技術。
為了適應空間站任務,此次長二F首次採用了起飛滾轉技術。

  火箭更靈活

  本次發射中,長二F載人狀態火箭還首次採用了起飛滾轉技術,更加靈活。

  以往,長二F火箭的任務較為單一,射向基本一致,火箭點火起飛後,經過俯仰轉彎等姿態調整,直接瞄準一個固定的射向,在一個射面內飛行即可。但後續空間站在建造和長期運營過程中,軌道傾角會有0.1°到0.5°的變化範圍。

  而火箭要適應這種變化,有兩種方法:一是針對每次任務的軌道傾角,改造瞄準間,確定火箭射向;二是通過火箭自身起飛滾轉適應軌道傾角的變化和射向的變化。前者工作量巨大,並非最佳方案。

  因此,型號隊伍根據任務特點,從火箭自身出發,在載人狀態的長二F火箭上首次應用起飛滾轉技術,使火箭起飛後在空中轉體,轉到合適的角度後,再飛向任務要求的方向。採用該技術以後,長二F火箭更加靈活,任務適應能力也進一步提高。

  此外,為了適應空間站在軌建造及長期運營需求,研製團隊對火箭活動發射平台進行了全面大修,同時基於可靠性、操作性、維修性、應用成熟型號的成熟技術等多方面考慮,對平台進行了升級改進。

  長二F火箭地面發射支持系統主任設計師劉海波介紹,最典型的就是在發射平台改進設計過程中,大範圍採用冗餘設計,不斷提高其可靠性。此外,活動發射平台的操作便捷性也顯著提升。

  活動發射平台總體設計師任曉偉舉了個例子,平台上有兩台“方向機”,一主一備。原來,如果主機發生故障,需要手動拆除主機上的配件,再給備用機裝上一個新的配件,全程約2小時。 “現在加一個離合手柄,1分鍾就能完成主備機的切換,效率有了質的飛躍”,任曉偉說。

  一些在長征五號、長征七號運載火箭活動發射平台上得到驗證的成熟技術和產品,也用於替代那些老化的,工藝或技術過時的產品。如用行星齒輪減速器代替支撐臂上原來使用的滾柱密切圓減速器,使傳動效率由60%左右提升至95%左右……

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