□ 文/高一鳴 左秋紅 攝/宿東

空間貨運系統(tǒng)首次應(yīng)用“長七”再度飛天看點多

□ 文/高一鳴 左秋紅 攝/宿東

4月20日19時41分，由中國運載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長征七號運載火箭（以下簡稱“長七火箭”）從海南文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點火，伴隨著巨大的轟鳴聲，長七火箭帶著天舟一號貨運飛船奔向浩渺的太空，發(fā)射取得圓滿成功。

此次任務(wù)是中國載人航天工程空間實驗室任務(wù)的收官之戰(zhàn)，標(biāo)志著中國載人航天工程勝利完成“三步走”戰(zhàn)略中的“第二步”，也是長七火箭與天舟貨運飛船組成的空間貨物運輸系統(tǒng)的首次應(yīng)用，為下一步空間站建設(shè)和長期運營奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

長七火箭的第二次發(fā)射有許多看點。

送我國史上最重航天器上太空

本次任務(wù)中，長七火箭發(fā)射的天舟一號是我國第一艘貨運飛船，也是我國目前送入太空的最重載荷，重約13噸。

如此重量級的飛船，為何首選長七火箭？

長七火箭是為滿足我國載人空間站工程發(fā)射貨運飛船的需求，以及未來載人運載火箭更新?lián)Q代的長遠(yuǎn)需求而全新研制的新一代高可靠、高安全的中型運載火箭。

從外觀上看，這款火箭與常規(guī)火箭的差別不大，也是3.35米的“腰身”，捆綁4個直徑2.25米的助推器。不同的是，它采用的是兩種新型液氧煤油發(fā)動機(jī)，較常規(guī)推進(jìn)劑比沖提高15%，推力提高50%。另外，長七火箭助推器更長，接近常規(guī)火箭的2倍，可裝的燃料更多。起飛時，6臺120噸級大推力發(fā)動機(jī)提供了超過700噸的推力，芯二級還有4臺液氧煤油發(fā)動機(jī)接力，足以將攜帶貨物的天舟一號送入與空間實驗室交會對接的軌道。

長七火箭將我國近地軌道運載能力從8.6噸提升至14噸，被譽(yù)為中國進(jìn)入太空的“新動力”，達(dá)國外同類火箭先進(jìn)水平。

“天生”可靠性高

長七火箭不僅力氣大，而且可靠性很高。它的可靠性設(shè)計指標(biāo)為0.98，在國際上處于領(lǐng)先水平。為了達(dá)到這一目標(biāo)，設(shè)計人員在研制之初便開展了型號的可靠性工程研制，將可靠性設(shè)計到產(chǎn)品中去，采用冗余、降額等手段提高系統(tǒng)可靠性，并開展可靠性強(qiáng)化試驗，提前暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn)，基于可靠性增長試驗進(jìn)行火箭可靠性評估。此外，在制造、測試、運輸、發(fā)射等各個環(huán)節(jié)，長七火箭都充分繼承了以往型號的成功做法。

除了0.98的可靠性設(shè)計指標(biāo)，還有一個實際驗證的可靠性指標(biāo)，隨著火箭相關(guān)試驗的積累和飛行成功次數(shù)的增加而增長。在連續(xù)兩次飛行成功后，長七火箭的實際驗證可靠性指標(biāo)已超過了普通火箭飛行數(shù)次才能達(dá)到的水平。

75項技術(shù)改進(jìn)讓火箭設(shè)計更優(yōu)、操作更方便

據(jù)長七火箭副總設(shè)計師程堂明介紹，去年6月25日長七火箭首次上天飛行，驗證了火箭設(shè)計方案的正確性和各系統(tǒng)工作的匹配性。這次任務(wù)中，長七火箭并沒有進(jìn)行大的技術(shù)更改，但有75項小的技術(shù)改進(jìn)，主要是為了適應(yīng)任務(wù)需求，以及提升操作的方便性。

“比如，優(yōu)化蓄壓器管路布局，充氣接管嘴從艙內(nèi)移至箭壁，以前需要進(jìn)艙操作，更改后不需要進(jìn)艙，更便于操作?！背烫妹髡f，相比首飛火箭，長七遙二火箭技術(shù)狀態(tài)變化涉及現(xiàn)場操作和使用維護(hù)的更改占約30%，通過細(xì)節(jié)的完善，進(jìn)一步體現(xiàn)了人性化。

海南文昌發(fā)射場天氣潮濕，降水量大。在火箭研制之初，研制人員就將 “防水”列為重中之重。

據(jù)長七火箭總體副主任設(shè)計師徐利杰介紹，本次任務(wù)中，同首飛火箭一樣，火箭部段對接處、細(xì)小的孔徑和縫隙處、排氣孔處，都做了防水處理。即便如此，他們依然改進(jìn)了一些措施，使防水更加周密，讓水“無孔可入”。

“火箭加注低溫燃料后，箭體內(nèi)外可謂冰火兩重天，表面會結(jié)露。我們在火箭每個液氧貯箱的下端都圍了一圈防雨布，還在對接面上安裝了小支架，對水進(jìn)行引流，防止水從部段對接面流入艙內(nèi)，同時也防止水流到液氧加泄連接器，導(dǎo)致連接器結(jié)冰無法正常脫落。一個小舉措，解決了大問題?！毙炖苷f。

即將發(fā)射的長征七號火箭

“點火”口令下達(dá)后，發(fā)動機(jī)啟動過程需要有數(shù)秒的泄壓時間，隨后1秒左右就可以見到火焰噴出

首次實戰(zhàn)“零窗口”發(fā)射

天舟一號貨運飛船發(fā)射升空后，與天宮二號空間實驗室完成了交會對接，并開展了貨物運輸補(bǔ)給、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加等多項關(guān)鍵技術(shù)試驗。

空間實驗室以極高的速度運行在數(shù)百千米高的太空，要送天舟一號貨運飛船與之精準(zhǔn)對接，火箭就必須準(zhǔn)時起飛。否則，分秒之差，就可能讓飛船謬之千里。這種窄到一瞬的窗口叫做“零窗口”。

交會對接任務(wù)，對長七火箭發(fā)射任務(wù)來說，要求做到準(zhǔn)時點火、精確入軌，這也是我國首次對大規(guī)模低溫火箭提出“零窗口”發(fā)射要求。

此前，在我國載人航天工程中，長征二號F火箭曾多次成功實施“零窗口”發(fā)射。而相比常規(guī)燃料火箭，長七火箭采用的是全低溫液氧煤油推進(jìn)劑，低溫燃料火箭射前流程更復(fù)雜。

“相對于采用常規(guī)推進(jìn)劑的火箭，采用低溫推進(jìn)劑的長七火箭系統(tǒng)更復(fù)雜，特別是在點火前的3分鐘內(nèi)，要連續(xù)完成十多個關(guān)鍵動作，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能錯過發(fā)射時間。參試人員通過落實射前關(guān)鍵環(huán)節(jié)可靠性保障措施、制定故障預(yù)案，保障了射前流程的順利實施，使得長七火箭具備了‘零窗口’發(fā)射的能力，這次天舟一號的發(fā)射可謂分秒不差?！遍L七火箭總體副主任設(shè)計師徐利杰介紹，“當(dāng)然，如果遇到特殊情況，加滿燃料的長七火箭也具備推遲1～2天發(fā)射的能力，真正做到了令行禁止，枕戈待旦?！?/p>

“比如，長七火箭在點火前幾分鐘內(nèi)，要完成貯箱增壓、連接器脫落、火箭擺桿擺開等十多個關(guān)鍵動作，某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能錯過發(fā)射時間。因此，要做到‘零窗口’發(fā)射，對地面和箭上設(shè)備的可靠性要求更高?！?/p>

為此，研制人員制定了影響流程關(guān)鍵設(shè)備可靠性的保障措施，開展了故障預(yù)案再梳理，一方面確保射前地面設(shè)備能夠可靠工作；另一方面，梳理、優(yōu)化射前流程，并制定了多項故障預(yù)案，保障流程的順利執(zhí)行。

“同時，火箭控制系統(tǒng)還應(yīng)用了一些新技術(shù)，即便在點火時間推遲一分鐘的情況下，依然可保證貨運飛船進(jìn)入天宮二號空間實驗室的軌道。”程堂明說。

發(fā)射平臺的噴水設(shè)施

聽見“點火”默數(shù)7秒才起飛

我國此前的火箭發(fā)射時，指揮員下達(dá)“點火”口令后不久，火箭就噴出了火焰，但長七火箭發(fā)射時許多人發(fā)現(xiàn)，指揮員下達(dá)“點火”口令后，等待了數(shù)秒，火箭才噴出尾焰，又過了一秒多才飛起來，這是為什么呢？

徐利杰介紹：“與此前的火箭相比，長七火箭的點火方式有很大差異。簡單地說，此前的火箭是使用火工品（俗稱‘火藥’）點火，口令下達(dá)后3秒左右就能見火；而長七火箭則是利用高壓煤油沖破點火導(dǎo)管，帶點火劑的煤油在燃燒室與氧化劑接觸實現(xiàn)點火。相對于前者，長七火箭的點火方式更穩(wěn)定、沖擊更小。發(fā)動機(jī)啟動過程需要有數(shù)秒的泄壓時間，隨后1秒左右就可以見到火焰噴出，但火箭推力的增大也不是一蹴而就的，大約1秒后，推力才能超過長七火箭的重量。所以，聽到‘點火’口令后別心急，默數(shù)7個數(shù)，火箭就飛起來了?！?/p>

長征七號火箭的尾焰顏色又白又亮

發(fā)射臺“云霧繚繞”如仙境

在長七火箭之前，我國火箭的尾焰大多是橘紅色的，而長七火箭的尾焰顏色不僅又白又亮，長度也超過了以往的火箭。“這是因為火箭使用了環(huán)保的液氧、煤油燃料和新型的大推力液氧煤油發(fā)動機(jī)?！毙炖苷f，“我國此前的火箭采用的推進(jìn)劑是四氧化二氮和偏二甲肼，不完全燃燒的四氧化二氮在常溫下易分解成紅棕色的二氧化氮氣體，伴隨著火箭起飛，這種氣體圍繞在發(fā)射塔架周圍，形成我們看到的‘紅色煙霧’。而液氧、煤油燃燒的顏色則是泛藍(lán)的亮白色。與此前的發(fā)動機(jī)相比，長七火箭采用的大推力液氧煤油發(fā)動機(jī)尾焰的溫度更高、流速更快，所以尾焰又亮又長?！?/p>

尾焰的溫度高達(dá)上千度，為了保護(hù)發(fā)射臺，同時降低起飛過程中的噪聲，長七火箭起飛過程中采用兩級噴水進(jìn)行降溫降噪。“在火箭的尾焰噴出前，發(fā)射平臺臺面的噴水設(shè)施會先噴一層厚的水膜；在火箭飛起來后，還會對著尾焰噴一次水。兩次噴水過后，活動發(fā)射平臺臺面的溫度大大降低，同時起到很好的降噪效果，而噴出的數(shù)百噸水有三成左右在高溫中汽化，使得發(fā)射平臺‘云霧繚繞’，宛如仙境?！?/p>

在近百千米高空可“仰望”二級火箭點火

在以往的火箭發(fā)射電視轉(zhuǎn)播中，我們常常看到從地面“仰望”火箭點火升空的畫面。在這次發(fā)射中，我們有機(jī)會看到火箭在飛行到近百千米的高空后，火箭二級點火的畫面。原來，設(shè)計人員在火箭的一級頂部增加了一個“向上看”的攝像頭。

長七火箭測量系統(tǒng)主任設(shè)計師周廣銘介紹：“火箭上的攝像頭學(xué)名叫‘圖像測量系統(tǒng)’。在分析火箭的飛行狀態(tài)或找尋故障時，圖像比其他數(shù)據(jù)更直觀、更客觀。自2005年首次啟用至今，設(shè)計師們利用火箭上的攝像頭已發(fā)現(xiàn)了許多新的規(guī)律，還查清了許多‘懸而未決’的問題。這次新增的這個攝像頭主要是為了看清火箭一級與二級分離時的畫面。此前，觀察這一系列動作的攝像頭安裝在二級尾艙或二級箭體外壁上，視野中有許多遮擋物。若安裝在一級頂端，就能更清晰地觀察到二級火箭的分離與點火，這在世界上也是很少見的。所以，在這次飛行中，我們可以‘仰望’火箭在近百千米高的空中點火的畫面。

（作者單位：中國運載火箭技術(shù)研究院新聞中心）