深度 | “神箭”的前世、今生與未來
2021年06月17日09:44

  1961年4月11日上午,蘇聯拜科努爾航天中心,“東方-1”號飛船搭乘“東方-K”火箭發射升空。航天員加加林環繞地球一圈,飛行108分鐘,成為人類進入太空第一人。

  60年之後的2021年6月17日,中國酒泉衛星發射中心,長征二號F運載火箭托舉神舟十二號載人飛船升入太空,約6.5小時後,飛船將與中國空間站天和核心艙完成交會對接,聶海勝、劉伯明、湯洪波等3人進入中國空間站,成為中國載人航天工程第三步第一批入駐空間站的航天員。

  逢五逢十的年份尤其受到中國人喜歡而被紀念。在世界載人航天60週年到來之際,中國開始獨立建造自己的空間站,時間雖屬巧合,卻也讓人精神振奮。這一甲子,中國航天走過了從無到有再到世界先進的不平凡之路。

  當然,這一切也離不開我們今天的主角——被譽為“神箭”的長二F火箭。

  前世:實現“爭八保九”

  競爭激烈,迎難而上。

  美蘇冷戰時期,載人航天技術獲得飛速發展,開發利用太空、創造生活新天地已成為各國的追求。在這方面,中國自然也不例外。

  1971年,中國設計出一艘載人飛船,命名為“曙光號”,可這個夢想只停留在圖紙上,最終隕落於“文化大革命”的口號標語之中。

  不過,中國人對太空的探索並沒有就此止步。

  1986年,“863”計劃啟動,中國圍繞載人航天開展了長時間的探索和研究工作,並圍繞3種方案——載人飛船、小型航天飛機和空天飛機,開展了廣泛研究。由於載人飛船的技術相對簡單,結合具體的國情,中國最後將載人航天方案確定為發射載人飛船。

  1992年9月21日,中共中央政治局第十三屆常委會第195次會議正式批準載人航天工程立項,並將此作為重點工程列入國家計劃。這就是我們現在常說的“921工程”。

  立項之初,上級確定了載人航天工程“爭八保九”的目標。所謂“爭八保九”,就是力爭1998年、確保1999年發射第一艘無人飛船。

  想要把載人飛船送上天,就離不開大推力的火箭。1990年,長二捆火箭成功發射,為把中國人送上太空提供了可能。但是,長二捆火箭的安全性和可靠性尚不能滿足載人的需求。

  “載人航天,人命關天”,必須設計出一種符合載人要求的新型火箭,它將部分繼承長二捆火箭的技術又要有所優化。這個任務就落到了原航空航天部一院劉竹生及其團隊的身上——他開始擔任載人運載火箭的副總設計師。

  過了不久,載人火箭被命名為“長二F”。劉竹生與普通設計人員的職責不同,他的主要任務是做技術總體控制。

  經過深入地調查研究,他發現:從世界航天史的故障發生情況來看,70%左右的故障發生在火箭的上升段,而飛船在待發段和上升段最大的危險來自火箭。

  在劉竹生的主持下,長二F火箭製定了高質量、高可靠性、高安全性的總體方案,最終可靠性設計指標達到了0.97,比一般火箭的0.93高出了0.04。除此之外,長二F火箭還增加了其他火箭所沒有的故障檢測診斷技術和逃逸技術。

  時間來到1998年6月,劉竹生被正式任命為長二F火箭總設計師,一場由他“領銜主演”的科技大戰開始了。

  為檢驗逃逸分系統設計的安全性,當年9月,劉竹生趕赴酒泉衛星發射中心進行第一次零度高空逃逸飛行試驗。10月19日清晨,隨著指揮員的一聲令下,逃逸塔騰空而起,帶著飛船的返回艙和軌道艙沿預定軌跡飛行,整流罩上的4個柵格翼同時打開。飛行到1.9千米高空時,飛船與逃逸塔順利分離。長二F火箭首飛進入最後衝刺階段。

  1999年11月20日清晨6時許,長二F火箭準時點火升空,將我國第一艘無人試驗飛船神舟一號送入預定軌道,火箭各系統工作正常,飛行試驗獲得圓滿成功。

  “爭八保九”實現了。

  今生:神箭護神舟飛天

  遨遊太空,一夢千年。

  隨著載人航天工程的逐步推進,長二F火箭接連送神舟二號飛船到神舟六號飛船進入太空,楊利偉、費俊龍、聶海勝3名中國航天員也先後進行了航天飛行,中國載人航天工程第一步圓滿完成。

  2006年,劉竹生退居二線,將長二F火箭總設計師的“帥印”交到了航天科技集團一院的荊木春手裡。

  2008年,中國載人航天工程第二步拉開帷幕。為滿足這個階段的任務需求,荊木春帶領團隊對長二F火箭進行了迭代升級:“我們稱之為長征二號F改進型火箭。”

  研製團隊計算過,各種技術狀態的更改一共有100多項,而其中有多項關鍵技術在國內火箭研製史上都是首次應用。

  例如,為滿足天宮一號的發射需求,長二F火箭不僅要提升運載能力,還要有能包絡天宮一號的整流罩。

  面對難題,荊木春帶領研製團隊反複計算、查閱資料、模擬驗證,提出採用馮·卡門曲線整流罩的設計方案,並最終為天宮一號披上了這件特製的“外衣”。

  不僅如此,天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船先後被送入預定軌道後要進行交會對接,這對火箭入軌精度也提出很高要求。

  荊木春主持研製的迭代製導技術像開車時用的導航一樣,可以讓火箭在飛行過程中,實時計算位置,及時糾正路線,從而保證入軌精度。

  2014年,荊木春將長二F火箭總設計師的“帥印”傳給一院的張智,自己來到了火箭總指揮的崗位。

  2014年~2020年這6年里,張智與荊木春密切合作,圓滿完成了天宮二號空間實驗室、神舟十一號飛船的發射,讓中國載人航天工程第二步畫上了圓滿句號。

  今年,空間站建設任務拉開帷幕,“建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題”這一重大任務擺在中國航天人的面前。

  時隔5年,長二F火箭再次進入密集發射的階段。這時,一院的女性航天專家容易接過張智手中的“帥印”,與荊木春合力打造航天員的“專列”。

  “沒想過會接到長二F火箭總設計師的任命,但到了這個崗位,就把該做的事做好。”容易說。

  2011年~2016年,容易參加了載人航天工程交會對接和空間實驗室任務所有的發射,包括天宮一號、天宮二號、神舟八號、神舟九號、神舟十號、神舟十一號。其中,她3次擔任火箭系統逃逸安控負責人、1次參加逃逸安控技術把關、3次任發射現場火箭指揮,載人航天經驗十分豐富。

  理工科出身的容易理性、冷靜,但在神舟九號任務時,她經曆了前所未有的緊張。

  2012年6月16日,神舟九號發射,景海鵬、劉洋、劉旺等3位航天員乘長二F火箭進入太空。容易作為逃逸安控的技術把關人,在大屏幕上看到航天員進入自己參與設計的火箭時,心提到了嗓子眼。

  “毫不誇張地說,那一刻,航天員的生命就寄託在我們身上。我真正意識到‘載人航天,人命關天’不是一句口號,而是給航天員的承諾,我們必須把工作做好。”容易動情地說。

  長二F火箭作為我國目前唯一一型載人火箭,它的技術更改受到嚴格控制,必須經過嚴格的兩報兩批,即先向“中國載人航天工程辦公室”報批想要更改的技術,辦公室論證通過後予以批複;技術更改完成後再向辦公室報批,辦公室確認後予以最終批複。

  “勿以善小而不為,我們不會因為某個技術狀態變化不出彩、不上檯面就不改。只要是對火箭質量、可靠性和安全性提升有利,對航天員安全有利,我們都會去做。”容易表示。

  在本次任務中,長二F火箭有108項技術狀態變化,每一項都非常細小,但只要是薄弱點,容易及其團隊就不會放棄更改。

  比如,增加起飛滾轉狀態,讓火箭可根據任務需求隨時更改射向,提高靈活性,不必拘泥於地面設施的方位;增加逃逸塔逃逸方向,解決返回艙在逆風等情境下,可能被重新帶回危險區域的問題;更改逃逸安控體製,將火箭上的安控指令接收機和逃逸塔上的逃逸指令接收機合二為一,改為逃逸安控指令接收機,提高火箭的自主性和抗干擾能力;細化火箭二級尾艙中的力學環境,從較為籠統的溫度、震動、壓力、衝擊等要求,改為精細化數據,讓每個系統單機進一步“有法可依”,提升火箭可靠性;提高發動機傳火孔閾度,讓火工品的作用力進一步擴大,避免出現點火失敗的情況;改進二級油機推力室噴柱口,讓推進劑燃燒更充分,保證發動機比衝……如此種種,不勝枚舉。

  “本次發射任務最大的亮點是準備了應急發射預案。”容易介紹,和以往不同,這次長二F遙十二和遙十三火箭同時進場,同時總測。“遙十二火箭總測整流罩和逃逸塔,遙十三火箭總測火箭基礎級,工作完成後再進行交換,確保兩發火箭同時總測完畢。”

  在長二F遙十二火箭發射後,長二F遙十三火箭會垂直停在廠房,進入應急發射待命狀態,隨時準備發射神舟十三號飛船,應對神舟十二號飛船在太空中被碎片擊中或不能正常脫離空間站等多種可能出現的情況。

  “這種應急發射待命狀態要持續3個月,直到航天員順利返回地球。”容易說。

  本次發射任務結束後,長二F火箭發射試驗隊員將各自返回工作單位,但他們的神經依然緊繃——他們會提前打包好隨身行李和相關技術文件,如遇突發情況,他們將從各單位甚至是出差地迅速集結到酒泉衛星發射中心,用最快8.5天的時間將神舟十三號飛船發射升空。

  容易坦言,應急救援時間緊、壓力大,試驗隊員將採取24小時三班倒的方式進行火箭總測,“事關航天員的安全,一切都馬虎不得。”

  應急救援預案如未啟動,長二F遙十三火箭和神舟十三號飛船將按照正常流程進行總測,預計於今年10月發射。

  未來:環保可靠新一代

  展望未來,科技製勝。

  近年來,人類對月球和火星的探測再次進入黃金時期,美國提出了重返月球的“阿爾忒彌斯計劃”,目標是2024年將宇航員平安送往月球並返回,同時建立常態化駐留機製,為未來的火星載人登陸任務鋪就道路。俄羅斯也計劃於2028年發射重型火箭。中國作為航天大國,必然也不落人後。

  俗話說,火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。在迭代升級運載火箭這件事上,中國航天人從未停止腳步。2016年,隨著長征五號、長征七號火箭首飛,我國新一代運載火箭進入國際先進水平。

  研製長二F火箭的“替代箭”一事也早已提上日程。該火箭分為兩型,將使用無毒無汙染的推進劑,推力更大,安全性、可靠性更高,主要用於載人登月和近地軌道航天員運送,快速提升中國進出空間的能力。這型火箭就是我國的新一代載人運載火箭。

  張智始終在載人火箭的隊伍里。卸任長二F火箭總設計師後,他又來到新一代載人運載火箭總設計師的崗位,目前已帶領團隊走到火箭關鍵技術攻關及深化論證階段。

  張智透露,用於載人登月的新一代載人火箭高度超100米,採用三級半構型,地月轉移軌道運載能力近25噸,在繼承長征五號和長征七號火箭成熟技術的基礎上,創新升級逃逸系統和故障檢測診斷系統,進一步保證航天員的安全。

  據瞭解,我國的載人登月方案原有6種,經過多方論證,最終確定了與“阿爾忒彌斯計劃”相似的方案,即進行兩次發射,分別將載人飛船和月面著陸器送入月球軌道,兩器在月球軌道交會對接,以組合體的形式飛行一段時間後再分開,航天員乘坐著陸器登月。科學考察完畢後,航天員再乘坐上升器從月面起飛,進入月球軌道與載人飛船對接,換乘之後拋棄上升器,返回地球。

  用於近地軌道的載人火箭則是從載人登月火箭演化而來。張智表示,該火箭為兩級構型,近地軌道運載能力近20噸,將推動中國載人航天事業步入新的階段。

  明年,中國將建成長期有人照料的載人空間站,這距離“921工程”立項整30年。又恰好逢十,又是中國人喜歡的節點,又會發生哪些故事?

  文/中國航天報記者劉岩

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