荊木春，秦 曈，宋 晶，柳海龍，李文清

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

2021年6月17日上午9時(shí)27分，長(zhǎng)征二號(hào)F（CZ-2F）運(yùn)載火箭成功將搭載聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員的神舟十二號(hào)載人飛船準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，標(biāo)志著中國(guó)空間站建造及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段的首次載人任務(wù)圓滿成功。

CZ-2F運(yùn)載火箭是中國(guó)唯一一型載人運(yùn)載火箭。從1992年，中國(guó)載人航天工程開始，CZ-2F運(yùn)載火箭就以高可靠、高安全為目標(biāo)，按照一定的可靠性設(shè)計(jì)原則，開展設(shè)計(jì)工作。火箭的可靠性指標(biāo)從原來(lái)的0.91提升至0.97，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭從功能性設(shè)計(jì)向可靠性設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，為了進(jìn)一步保障航天員的安全，CZ-2F火箭增加了故障檢測(cè)處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)，可以在火箭出現(xiàn)故障的情況下，依靠逃逸救生來(lái)保障航天員的安全。并通過(guò)零高度逃逸救生、逃逸飛行器最大速度頭模擬飛行等試驗(yàn)，驗(yàn)證了逃逸系統(tǒng)的正確性。CZ-2F火箭的安全性指標(biāo)為0.997，與國(guó)外載人運(yùn)載火箭相比，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

自長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭二期研制以來(lái)，型號(hào)研制隊(duì)伍不斷進(jìn)取，通過(guò)一系列的技術(shù)創(chuàng)新，在保證如空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接等重大任務(wù)圓滿完成的同時(shí)，還持續(xù)提升CZ-2F的可靠性。以發(fā)射神舟十二號(hào)載人飛船的CZ-2F遙12火箭為例，相比遙11火箭有109項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)變化，絕大多數(shù)都是為了提升火箭的可靠性。通過(guò)一系列的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)改進(jìn)，CZ-2F火箭的可靠性已經(jīng)由原來(lái)的0.97提升至0.98，為空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及建造階段（簡(jiǎn)稱“空間站建造階段”）的順利實(shí)施提供了有力保障。本文結(jié)合空間站建造階段對(duì)CZ-2F火箭新的任務(wù)需求，重點(diǎn)介紹CZ-2F火箭為保持高可靠性做出的技術(shù)改進(jìn)、研究方法以及流程優(yōu)化等方面的工作。

1 逃逸控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)序完善

低空逃逸，特別是發(fā)射臺(tái)逃逸是CZ-2F火箭所有逃逸程序中最為復(fù)雜的一項(xiàng)。雖然在早期研制過(guò)程中進(jìn)行過(guò)零高度逃逸試驗(yàn)，但針對(duì)在不同方向低空風(fēng)對(duì)逃逸的影響，還需要開展進(jìn)一步深入分析。

CZ-2F火箭聯(lián)合飛船系統(tǒng)針對(duì)歷史實(shí)測(cè)低空風(fēng)場(chǎng)對(duì)低空逃逸救生的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在少量低空風(fēng)的作用下，發(fā)射臺(tái)逃逸時(shí)存在返回艙落點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)小于500 m情況，有可能造成返回艙重新落入故障火箭爆炸范圍內(nèi)，對(duì)航天員生命安全造成威脅。

為了進(jìn)一步增加逃逸救生的可靠性，保證航天員的安全。針對(duì)有風(fēng)情況下發(fā)射臺(tái)逃逸，提出了改變逃逸飛行器控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火策略，以提高對(duì)于低空風(fēng)場(chǎng)的適應(yīng)性。將原來(lái)只有控發(fā)Ⅲ點(diǎn)火的狀態(tài)改為根據(jù)射前低空風(fēng)情況選擇控發(fā)Ⅱ或者控發(fā)Ⅲ點(diǎn)火，可以有效降低返回艙落入危險(xiǎn)區(qū)的可能性。根據(jù)分析結(jié)果，采取更改控制逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火策略、在射前決策控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火狀態(tài)的措施，以提高在低空風(fēng)的作用下返回艙落點(diǎn)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)的概率。發(fā)射臺(tái)逃逸控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火方向示意見圖1。

圖1 發(fā)射臺(tái)逃逸控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火方向示意Fig.1 The Sketch of Escape Control Engine IgnitionDirectionon the Launch Pad

針對(duì)有風(fēng)情況下發(fā)射臺(tái)逃逸，飛船系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)和發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)針對(duì)增加逃逸飛行器控制發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ點(diǎn)火功能，分別對(duì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ或Ⅲ點(diǎn)火情況下的逃逸情況開展了仿真分析。對(duì)“無(wú)傾倒、偏航傾倒-6°、偏航傾倒6°、俯仰傾倒84°、俯仰傾倒96°”5種極限工況，火箭系統(tǒng)分別計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下控發(fā)Ⅱ、控發(fā)Ⅲ點(diǎn)火的二次分離點(diǎn)參數(shù)，飛船系統(tǒng)結(jié)合210組低空風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明能夠控制返回艙不落入危險(xiǎn)區(qū)。

以其中最惡劣工況為例，飛船落點(diǎn)散布如圖2所示，控發(fā)Ⅱ或控發(fā)Ⅲ點(diǎn)火均不能完全避免返回艙落入危險(xiǎn)區(qū)，但個(gè)別落入危險(xiǎn)區(qū)的情況屬于不同風(fēng)場(chǎng)，實(shí)際任務(wù)中可根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果選擇點(diǎn)火控制發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)避免落入危險(xiǎn)區(qū)。

圖2 返回艙落點(diǎn)散布 Fig.2 The Dispersion of Return Capsule Falling Points

因此，通過(guò)增加逃逸飛行器控制發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ點(diǎn)火功能可以有效避免出現(xiàn)在少量低空風(fēng)的作用下，發(fā)射臺(tái)逃逸時(shí)存在返回艙落點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)小于500 m情況，進(jìn)一步保證航天員的逃逸安全。

2 全箭FMEA再分析

在CZ-2F Y12火箭研制過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高火箭對(duì)故障的適應(yīng)性能力，消除薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)全箭各系統(tǒng)產(chǎn)品尤其是新研產(chǎn)品重新開展了一輪故障模式及影響分析工作（簡(jiǎn)稱FMEA），包括設(shè)計(jì)FMEA、工藝FMEA和軟件FMEA，覆蓋準(zhǔn)備階段、發(fā)射階段、飛行階段和逃逸階段，查找薄弱環(huán)節(jié)，確認(rèn)設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施的充分性和有效性；對(duì)于繼承一期或僅相對(duì)一期適應(yīng)性更改的產(chǎn)品，對(duì)一期的FMEA進(jìn)行了復(fù)查、確認(rèn)。表1為CZ-2F火箭任務(wù)階段劃分。

表1 CZ-2F火箭任務(wù)階段劃分 Tab.1 The Mission Stage of LM-2F

以總裝直屬件為例，首先明確產(chǎn)品在各任務(wù)階段的流程或活動(dòng)，然后梳理環(huán)境條件及故障誘發(fā)因素，如圖3所示。

圖3 總裝直屬件產(chǎn)品任務(wù)階段劃分及環(huán)境條件Fig.3 The Mission Stages and Environment Conditions of Assemble Direct Parts

之后根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、任務(wù)階段和工作原理，繪制功能框圖，如圖4所示。

圖4 總裝直屬件產(chǎn)品功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 The Relationship of Faction Layer and Structure Layer of Assemble Direct Parts

總裝直屬件產(chǎn)品的主要功能有：承載、傳力功能，防氣流沖刷、防熱功能，實(shí)現(xiàn)分離功能，提供分離能源，實(shí)現(xiàn)安裝固定功能，逃逸飛行器推力方向調(diào)整和逃逸飛行器質(zhì)心調(diào)整功能。

然后根據(jù)總裝直屬件產(chǎn)品在不同任務(wù)階段的故障檢測(cè)方法（見圖5），按照產(chǎn)品在不同階段下的可靠性框圖，開展FMEA分析。

圖5 裝直屬件產(chǎn)品故障模式檢測(cè)方法Fig.5 The Test Method of Assemble Direct Parts Fault Patterns

經(jīng)分析，CZ-2F火箭全箭各系統(tǒng)在準(zhǔn)備階段故障模式為226個(gè)，Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障模式為6個(gè)；發(fā)射階段故障模式為516個(gè)，Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障模式為9個(gè)；飛行階段故障模式為1191個(gè)，Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障模式為620個(gè)；逃逸階段故障模式為98個(gè)，Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障模式為37個(gè)。針對(duì)所有故障模式制定有效措施，如設(shè)置強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)等，進(jìn)一步提升全箭故障發(fā)生的概率，提升火箭可靠性。

3 全箭飛行時(shí)序鏈路分析

針對(duì)涉及控制系統(tǒng)、火工品、發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵產(chǎn)品多，影響飛行成敗的點(diǎn)火、分離等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展設(shè)計(jì)指標(biāo)閉合檢查工作，重點(diǎn)關(guān)注各關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的情況。主要的工作思路和方法如下：

a）采用事件鏈的方法，按照系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的物理傳遞鏈路，全面梳理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)涉及的產(chǎn)品，包括單機(jī)設(shè)備、電纜、接插件等等，確保產(chǎn)品無(wú)遺漏；

b）針對(duì)梳理出的產(chǎn)品，以產(chǎn)品故障模式分析為線索，梳理產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括性能、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、接口、可維修性等，確保關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)辨識(shí)無(wú)遺漏；以環(huán)境適應(yīng)性為例，針對(duì)電纜和接插件要關(guān)注具體安裝部位，電纜是否進(jìn)行了有效防護(hù)，接插件在振動(dòng)環(huán)境下是否會(huì)異常斷開等；

c）針對(duì)梳理出的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，逐項(xiàng)檢查火箭產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果，檢查是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

針對(duì)點(diǎn)火-起飛（含變能蓄壓器工作）、逃逸塔分離、助推器分離、級(jí)間分離、整流罩分離、船箭分離共6個(gè)正常飛行時(shí)序功能，4個(gè)逃逸程序和船箭應(yīng)急分離飛行時(shí)序功能，共11個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展指標(biāo)閉合性檢查。以CZ-2F特有的逃逸程序I為例（逃逸時(shí)序Ⅰ鏈路如圖6所示），除檢查系統(tǒng)間時(shí)序動(dòng)作協(xié)調(diào)匹配，還對(duì)故檢系統(tǒng)、火工品、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要產(chǎn)品的性能及安裝狀態(tài)進(jìn)行檢查確認(rèn)。

圖6 逃逸時(shí)序Ⅰ鏈路（Ⅲ象限控發(fā)先點(diǎn)火）Fig.6 The Link Sketch of Escape Program I (Ignition the Control Engine III)

通過(guò)對(duì)CZ-2F Y12火箭各系統(tǒng)射前地面工作流程和飛行時(shí)序的設(shè)計(jì)正確性，系統(tǒng)間時(shí)序動(dòng)作協(xié)調(diào)匹配性，控制系統(tǒng)、火工品、發(fā)動(dòng)機(jī)等重要產(chǎn)品的設(shè)計(jì)狀態(tài)、實(shí)際指標(biāo)等重要因素進(jìn)行事件鏈進(jìn)行復(fù)查確認(rèn)，保證了全箭飛行動(dòng)作的穩(wěn)妥可靠。

4 應(yīng)急救援流程設(shè)置

為保證航天員在空間站工作期間的安全，當(dāng)停靠空間站的載人飛船發(fā)生不能安全返回的故障時(shí)，地面啟動(dòng)載人飛船應(yīng)急發(fā)射任務(wù)。因此，在航天員在空間站工作期間，需要在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)備一發(fā)應(yīng)急救援火箭值班，處于隨時(shí)待命狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)應(yīng)急救援任務(wù)需求。

載人飛船應(yīng)急發(fā)射流程有8.5天和16天兩種方案。兩種方案的適用條件分別為：

a）空間站及其對(duì)接的載入飛船出現(xiàn)故障，且關(guān)鍵功能相關(guān)備份產(chǎn)品已啟用，經(jīng)評(píng)估決策后，執(zhí)行8.5天應(yīng)急發(fā)射方案；

b）空間站及其對(duì)接的載入飛船出現(xiàn)故障，但各項(xiàng)功能基本正常，暫不影響航天員生命安全的情況下，執(zhí)行16天應(yīng)急發(fā)射方案。

4.1 8.5天應(yīng)急救援發(fā)射方案

8.5天應(yīng)急發(fā)射方案為：人員利用2天時(shí)間在發(fā)射場(chǎng)集結(jié)，發(fā)射場(chǎng)有效工作時(shí)間約6.5天?；鸺诩夹g(shù)區(qū)經(jīng)過(guò)外觀檢查和狀態(tài)恢復(fù)后，即轉(zhuǎn)運(yùn)到發(fā)射區(qū)開展測(cè)試工作，船罩組合體、逃逸塔在發(fā)射區(qū)與火箭進(jìn)行對(duì)接，并完成后續(xù)應(yīng)急救援發(fā)射任務(wù)。8.5天應(yīng)急救援流程主要工作見圖7。

圖7 8.5天應(yīng)急救援流程主要工作Fig.7 The Main Task of 8.5-day Emergency Rescue

4.2 16天應(yīng)急救援發(fā)射方案

16天應(yīng)急發(fā)射方案為：人員在發(fā)射場(chǎng)集結(jié)完畢后，載人飛船在11天內(nèi)完成技術(shù)區(qū)廠房相關(guān)工作，之后在3天內(nèi)完成船罩組合體、逃逸塔在技術(shù)區(qū)廠房與火箭對(duì)接，船箭塔組合體轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，在發(fā)射區(qū)進(jìn)行功能及接口檢查，火箭推進(jìn)劑加注和發(fā)射等工作。

在執(zhí)行Y12火箭發(fā)射任務(wù)期間，為準(zhǔn)備應(yīng)急救援火箭，實(shí)際上Y12、Y13火箭同時(shí)完成的火箭出廠工作，相繼抵達(dá)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心后，先開展應(yīng)急救援值班火箭（Y13火箭）的產(chǎn)品恢復(fù)、吊裝、測(cè)試等工作，將基礎(chǔ)級(jí)以豎立狀態(tài)封存。之后再進(jìn)行Y12火箭的正式流程，執(zhí)行神舟十二號(hào)載人飛船的發(fā)射任務(wù)。Y12火箭成功發(fā)射后，Y13火箭立即進(jìn)入應(yīng)急救援值班狀態(tài)，待神舟十二號(hào)任務(wù)的航天員安全返回后，Y13火箭解除應(yīng)急救援值班狀態(tài)，進(jìn)入正常的發(fā)射流程。Y12/Y13任務(wù)的主要流程見圖8。正在執(zhí)行應(yīng)急救援值班任務(wù)的Y13火箭見圖9。

圖8 Y12/Y13任務(wù)的主要流程Fig.8 The Main Progress of LM-2F Y12 /Y13 Mission

圖9 正在執(zhí)行應(yīng)急救援值班任務(wù)的Y13火箭Fig.9 The LM-2F Y13 Launch Vehicle on the Duty of Emergency Rescue

在整個(gè)空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及建造階段，CZ-2F火箭均按照這種“打一備一”及“滾動(dòng)備份”的狀態(tài)，執(zhí)行神舟飛船的發(fā)射任務(wù)。應(yīng)急救援狀態(tài)的準(zhǔn)備，可以有效應(yīng)對(duì)空間站及其上對(duì)接載人飛船可能的故障，進(jìn)一步提高空間站任務(wù)期間航天員的安全性。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合空間站建造階段對(duì)CZ-2F火箭新的任務(wù)需求，重點(diǎn)介紹了自2016年發(fā)射神舟十一號(hào)載人飛船后，CZ-2F火箭從技術(shù)改進(jìn)、研究方法以及流程優(yōu)化等方面，進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新和可靠性提升方法。

通過(guò)增加逃逸飛行器控制發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ點(diǎn)火功能，進(jìn)一步保證航天員的逃逸安全；通過(guò)按照不同任務(wù)階段開展了FMEA再分析和飛行時(shí)序鏈路分析，提升了全箭對(duì)故障模式的適應(yīng)性；通過(guò)制定8.5天和16天兩種應(yīng)急救援發(fā)射方案，滿足工程大總體提出的應(yīng)急救援值班任務(wù)需求，進(jìn)一步提高空間站任務(wù)期間航天員的安全性。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭研制團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)保持“嚴(yán)慎細(xì)實(shí)”的工作作風(fēng)，不斷進(jìn)取，勇于創(chuàng)新，永不止步，始終將高可靠、高安全作為奮斗目標(biāo)，為中國(guó)空間站任務(wù)順利實(shí)施提供強(qiáng)有力保障。