李君海

時(shí)間：2008年12月5日下午3時(shí)4分50秒

地點(diǎn)：中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中_

“10，9……3、2、1、點(diǎn)火，起飛!”隨著零號指揮員的指揮口令，“北航=號”固液探空火箭騰空而起，帶著項(xiàng)目組所有老師同學(xué)們的夢想直沖云宵，在空中留下了一條美麗的白煙；20秒后，火箭在3000米的高空分離成功，降落傘順利打開，帶著有效載荷緩緩飄落，按照飛行試驗(yàn)大綱的標(biāo)準(zhǔn)，飛行試驗(yàn)取得了圓滿成功，“北航二號”成為中國首枚飛行試驗(yàn)取得成功的固液探空火箭。此時(shí)，項(xiàng)目組所有成員沸騰了，大家忘情地鼓掌、擁抱，甚至流下了熱淚。歷經(jīng)近2年時(shí)間的研制所付出的努力與感情，在這一瞬間得到了充分釋放?！氨焙蕉枴钡难兄乒ぷ鞣路鹗且淮魏教斓穆眯?，是那么的精彩紛呈……

迎接挑戰(zhàn)

時(shí)間回到2006年11月1日，中國第一枚由本科生設(shè)計(jì)和制作的氣象探空火箭“北航一號”成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，得到了社會的廣泛關(guān)注與好評。為進(jìn)一步探索通過大型科技制作項(xiàng)目培養(yǎng)和鍛煉大學(xué)生這種教育模式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破進(jìn)行中國首次以固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的探空火箭飛行試驗(yàn)，北京航空航天大學(xué)緊接著開展了“北航二號”固液探空火箭項(xiàng)目。

2006年12月，項(xiàng)目組正式成立并召開了第一次全體會議，確定了“北航二號”探空火箭的主要目標(biāo)為檢驗(yàn)固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)性能，并兼有氣象采集任務(wù)。項(xiàng)目組成員共有31人，其中指導(dǎo)教師11人，專家組成員3人，參與項(xiàng)目的學(xué)生共有17人，其中15人是2003級本科生，另外2人是高年級的研究生，分別來自宇航學(xué)院飛行器設(shè)計(jì)與工程、探測制導(dǎo)與控制技術(shù)、飛行動(dòng)力工程三個(gè)專業(yè)。項(xiàng)目指導(dǎo)教師組組長為宇航學(xué)院常務(wù)副院長蔡國飆教授，而我則作為項(xiàng)目組的學(xué)生負(fù)責(zé)人，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展和固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。我為有機(jī)會參與這樣大型的科技制作項(xiàng)目感到非常激動(dòng)，同時(shí)也深知自己所承擔(dān)責(zé)任的重大。在興奮與緊張中，我與項(xiàng)目組的伙伴們，開始了“北航二號”的研制工作，正式開始了我們共同的航天之旅。

“北航二號”探空火箭全長3.42米，箭體直徑0.22米，最大發(fā)射質(zhì)量110千克，有效載荷質(zhì)量15.5千克，最大飛行高度10000米?；鸺傮w結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、分離回收系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)和地面發(fā)射系統(tǒng)?；鸺目傮w結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括火箭的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)外形等，分為儀器艙、分離回收艙和固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)三大部分。

動(dòng)力系統(tǒng)采用的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種新型的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它的研制成功與否，成為關(guān)系整個(gè)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。目前應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩種類型。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是使用液體推進(jìn)劑作為能源的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它具有比沖較高、工作時(shí)間較長、能多次重復(fù)啟動(dòng)、工作可靠、推力可調(diào)節(jié)和多次使用等特點(diǎn)，因此在大型運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)以及各種航天器上得以廣泛應(yīng)用；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是使用固體推進(jìn)劑作為能源的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作可靠、使用簡便、能長期貯存和機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，主要在航天運(yùn)載器、航天器，特別是現(xiàn)代導(dǎo)彈領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)十分成熟，但又存在一定的缺點(diǎn)：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不便；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖較低、工作時(shí)間較短、推力調(diào)節(jié)和重復(fù)啟動(dòng)較難。雖然對這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)正在不斷地改進(jìn)，其中某些性能可能有所改善，但是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中單獨(dú)使用液體推進(jìn)劑或固體推進(jìn)劑，上述的缺點(diǎn)不可能完全消除。因此，人們對同時(shí)采用液體和固體推進(jìn)劑的混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了興趣。這種混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按照氧化劑和燃料的不同組合可以分為固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(典型式)、液固混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(反方案式)、燃?xì)獍l(fā)生器式及組合式等?；旌匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)將能克服液體或固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能完全消除的缺點(diǎn)，具有安全性好、容易進(jìn)行推力調(diào)節(jié)、可以進(jìn)行關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)、推進(jìn)劑能量較高、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，美國、法國等少數(shù)航天強(qiáng)國已經(jīng)對此進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果，而我國還沒有成功飛行的先例，因此“北航二號”固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制充滿挑戰(zhàn)，是一次技術(shù)上的創(chuàng)新。

“北航二號”固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分為液體輸送系統(tǒng)和固體燃料推力室梁大部分，其中液體氧化劑為一氧化=氮(笑氣)，固體燃料為丁羥橡膠，設(shè)計(jì)氧化劑流量3.5千克／秒，平均氧燃比7.7，平均推力7800牛，工作時(shí)間4秒。發(fā)動(dòng)機(jī)采用無增壓氣瓶的擠壓式輸送系統(tǒng)方案，輸送系統(tǒng)在沒有增壓氣瓶的條件下，通過自行設(shè)計(jì)的流量調(diào)節(jié)閥控制流量，能在貯箱壓力不斷下降的情況下，實(shí)現(xiàn)氧化劑流量的穩(wěn)定供應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)推力室主要由液體氧化劑噴注器、燃燒室、噴管、固體藥柱及點(diǎn)火器五部分組成，通過增加噴注壓降提高燃燒穩(wěn)定性，采用后燃室提高燃燒效率。

分離回收系統(tǒng)采用火工彈射分離方式，由發(fā)火裝置和分離機(jī)構(gòu)組成。降落傘使箭體頭錐和探測儀器艙以約10米／秒的速度降落。有效載荷系統(tǒng)的主要功能是在飛行過程中進(jìn)行大氣參數(shù)測量，包括壓力、濕度和飛行加速度的實(shí)時(shí)采集和存儲。發(fā)射系統(tǒng)包括探空火箭發(fā)射架和氧化劑加注增壓系統(tǒng)。以上五個(gè)系統(tǒng)分別經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、調(diào)試和總裝工作后，最終裝配在一起，組合成“北航二號”固液探空火箭。

在近兩年的研制歷程中，探空火箭設(shè)計(jì)和試驗(yàn)任務(wù)以及整體復(fù)雜程度比我們想象的要復(fù)雜得多，項(xiàng)目組碰到了各種各樣的問題，經(jīng)歷了酸甜苦辣各種滋味。2007年7月，項(xiàng)目組完成了探空火箭總體、發(fā)動(dòng)機(jī)和控制的調(diào)研工作，并確定了火箭的總體方案，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)的初步設(shè)計(jì)。2007年12月，完成了探空火箭總體、控制、動(dòng)力系統(tǒng)的方案論證和部分零件設(shè)計(jì)，還完成了發(fā)動(dòng)機(jī)部分試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)，進(jìn)入到加工階段，同時(shí)也開始了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)工作。2008年3月，完成了總體、控制和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件的加工，并完成了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，開始進(jìn)入各分系統(tǒng)的試驗(yàn)研制階段；2008年4～5月，發(fā)動(dòng)機(jī)組開始了45毫米、105毫米、220毫米三種直徑發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的熱試車試驗(yàn)研究階段。其中45毫米直徑發(fā)動(dòng)機(jī)用來研究固體燃料的燃速，同時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)火技術(shù)；105毫米直徑發(fā)動(dòng)機(jī)用來檢驗(yàn)固體燃料設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)、藥柱型面的可靠性和內(nèi)彈道性能。220毫米直徑發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行用全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，對飛行用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面試驗(yàn)研究，得到飛行用發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、燃燒室壓強(qiáng)、燃燒穩(wěn)定性和效率等性能參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。與此同時(shí)，還進(jìn)行了分離回收機(jī)構(gòu)的分離試驗(yàn)、開傘試驗(yàn)，最后完成了飛行試驗(yàn)用火箭的加工……萬事俱備，只等最后考驗(yàn)的來臨。

出師未捷

2008年6月6日，在經(jīng)過了約2000

千米的長途運(yùn)輸后，我們的火箭矗立在酒象衛(wèi)星發(fā)射中心3號發(fā)射場坪上等待發(fā)射；按愿定計(jì)劃，上午7點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)發(fā)射。這時(shí)的天氣狀況卻和以前我們進(jìn)行的試驗(yàn)和發(fā)射前演練所遇到的天氣狀況不同，致使火箭貯箱內(nèi)氧化劑一氧化二氮(N20)的溫度上升緩慢，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)不到發(fā)射條件。對這意外情況的出現(xiàn)，我們沒有做好充分的應(yīng)對準(zhǔn)備，因而也就絲毫沒有想到外部環(huán)境的改變可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)，只是決定繼續(xù)等待，一旦滿足設(shè)定的發(fā)射條件就進(jìn)行發(fā)射。時(shí)間在一分一秒的流逝。上午7點(diǎn)45分，貯箱內(nèi)氧化劑的溫度終于滿足了發(fā)射要求，于是零號指揮員開始倒計(jì)時(shí)并發(fā)出了點(diǎn)火指令。出乎大家的預(yù)料，火箭在一聲巨響中發(fā)生了爆炸，首次飛行試驗(yàn)失敗了。頓時(shí)，大家的腦海里仿佛出現(xiàn)了真空，不敢相信眼前所發(fā)生的這一切……

經(jīng)過大量分析，最終的失敗原因初步查明：由于沒有對環(huán)境因素進(jìn)行充分考慮，導(dǎo)致發(fā)射流程中出現(xiàn)嚴(yán)重問題未分清主次，致使貯箱內(nèi)氧化劑溫升時(shí)間過長，當(dāng)達(dá)到指定的發(fā)射測試時(shí)，貯箱壓力大干設(shè)定正常工作壓力值，從而導(dǎo)致氧化劑流量過大、點(diǎn)火壓力峰大于燃燒室的極限壓力，最終發(fā)生了爆炸。這一次失敗，促使我們對項(xiàng)目所有的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工作進(jìn)行了深入的審視與總結(jié)，對研制過程中暴露出來的問題毫無保留地進(jìn)行了反思。而基地的首長和專家們也對大家的故障歸零工作以及精神狀態(tài)的改變表示認(rèn)同，希望我們不僅僅能解決已經(jīng)暴露的問題，還要消除所有的隱患，并再次來基地進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

圓夢酒泉

從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心回到北京，大家顧不上休息和調(diào)整，馬上投入到“北航二號”項(xiàng)目的改進(jìn)工作。首先，我們對“北航二號”探空火箭動(dòng)力系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新分析與校核，并對固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的所有設(shè)計(jì)在原理上是正確的；其次，我們對已經(jīng)存在的問題和可能的隱患提出了解決方法，并將通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑性質(zhì)研究與流量控制、點(diǎn)火器的研制、發(fā)動(dòng)機(jī)頭部噴注器設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改善；再次對試驗(yàn)研制工作提出了規(guī)范化要求，即每次試驗(yàn)要求對試驗(yàn)?zāi)康?、原理和結(jié)果預(yù)測有明確的說明，而且必須有操作規(guī)程、安全性分析以及應(yīng)急預(yù)案，試驗(yàn)完成之后要有試驗(yàn)總結(jié)，對存在的問題進(jìn)行分析解決。2008年7～9月，項(xiàng)目組開始了發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)研制工作。此時(shí)由于北京馬上要舉辦奧運(yùn)會而不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車試驗(yàn)，項(xiàng)目組只好移師內(nèi)蒙古呼和浩特市，在航天科工集團(tuán)第六研究院4I所為我們提供的場地重新搭建試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)。大家沒有絲毫怨言，因?yàn)榇蠹疑砩嫌兄嗟膲毫εc責(zé)任。經(jīng)過近半年的時(shí)間，對火箭的每一個(gè)部件進(jìn)行了多次試驗(yàn)，確保了火箭的狀態(tài)完全滿足飛行試驗(yàn)的條件。2008年11月底，我們再次啟程奔赴酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心?！肮Ψ虿回?fù)有心人”。12月5日，“北航二號”固液探空火箭發(fā)射成功，于是出現(xiàn)了本文開頭那壯觀的一幕，而整個(gè)項(xiàng)目也從此畫上了圓滿的句號。

“北航二號”是繼“北航一號”成功發(fā)射之后，北航在人才培養(yǎng)上的進(jìn)一步嘗試。它通過三個(gè)專業(yè)的同學(xué)協(xié)作進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，培養(yǎng)了同學(xué)們的專業(yè)綜合能力，特別是針對固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這一新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研制。它不僅培養(yǎng)了同學(xué)們的創(chuàng)新能力，同時(shí)通過與航天院所及航天發(fā)射中心的產(chǎn)學(xué)研合作，還培養(yǎng)了同學(xué)們的工程實(shí)踐能力。對我個(gè)人而言，在經(jīng)歷了這樣一次航天之旅后，感受到了航天事業(yè)的嚴(yán)謹(jǐn)，理解了“特別能吃苦，特別能攻關(guān)，特別能戰(zhàn)斗，特別能奉獻(xiàn)”的載人航天精神，也有了令我受益終身的收獲，在此我要感謝我們敬愛的指導(dǎo)老師們和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)，感謝支持我們的航天院所和發(fā)射中心，感謝所有關(guān)注和關(guān)心“北航2號”的人。現(xiàn)在，整個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)，而我的航天之路才剛剛啟程。