|張建林

長征五號(hào)B 遙三運(yùn)載火箭。 圖片| 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

7月24日14時(shí)22分，由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（簡稱“火箭院”）抓總研制的長征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭（以下簡稱“長五B火箭”）沖上云霄，成功將我國空間站建造階段首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，也是我國迄今為止發(fā)射的最重載荷——問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射至預(yù)定軌道。我國空間站建造關(guān)鍵之戰(zhàn)取得圓滿成功。

據(jù)此前中國載人航天工程辦公室消息，今年將實(shí)施6次飛行任務(wù)，完成我國空間站在軌建造。其中，長五B火箭在7月發(fā)射問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙對接，10月發(fā)射夢天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙對接。之后三艙形成“T”字基本構(gòu)型，完成中國空間站在軌建造。此次任務(wù)是今年完成空間站在軌建造承上啟下的關(guān)鍵之戰(zhàn)，意義重大。

首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務(wù)

作為我國目前近地軌道運(yùn)載能力最大的新一代運(yùn)載火箭，長五B火箭擁有長達(dá)20.5米的國內(nèi)最大整流罩，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸級。問天實(shí)驗(yàn)艙是我國迄今為止重量最大的載荷，重量約為23.2噸。

火箭院長五B火箭總體副主任設(shè)計(jì)師劉秉介紹：“問天實(shí)驗(yàn)艙需要與空間站天和核心艙進(jìn)行快速交會(huì)對接，因此，必須在規(guī)定時(shí)間分秒不差地發(fā)射，否則將無法到達(dá)指定位置，需要耗費(fèi)巨大代價(jià)調(diào)整軌道;甚至導(dǎo)致發(fā)射終止，那就需要等待下一個(gè)發(fā)射窗口重新組織發(fā)射，嚴(yán)重影響任務(wù)周期?！?/p>

由于問天實(shí)驗(yàn)艙和天和核心艙要通過交會(huì)對接，在軌進(jìn)行組裝，所以要求火箭“零窗口”發(fā)射。而長五B火箭是低溫火箭，面臨著低溫推進(jìn)劑加注問題和復(fù)雜的發(fā)射射前流程，實(shí)施零窗口發(fā)射相比常溫火箭難度大得多。

各系統(tǒng)只能按時(shí)序完成射前指令，把時(shí)間消耗在等待上一流程上?！熬拖衩鎸χ痤}試卷限時(shí)競答，一旦卡在前面簡單的問題上，后面的題目分?jǐn)?shù)很高卻又不能做，顯得束手束腳?！被鸺洪L五B火箭副總設(shè)計(jì)師婁路亮這樣比喻。為了和時(shí)間賽跑，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開展了適應(yīng)“零窗口”發(fā)射要求的射前流程優(yōu)化改進(jìn)。

本次任務(wù)中，長五B火箭實(shí)施零窗口發(fā)射，這也是長五系列火箭首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務(wù)。為保證準(zhǔn)時(shí)發(fā)射，型號(hào)隊(duì)伍對射前負(fù)10分鐘的發(fā)射流程進(jìn)行了優(yōu)化，將部分流程前置。其實(shí)，距離發(fā)射2.5分鐘時(shí)，火箭就已完成發(fā)射前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，具備了點(diǎn)火發(fā)射能力，隨時(shí)可發(fā)射。雖然只有短短的2.5分鐘，但對型號(hào)隊(duì)伍來說卻意味著寶貴的時(shí)間和機(jī)會(huì)，發(fā)射前萬一發(fā)生突發(fā)情況，型號(hào)隊(duì)伍可在這2.5分鐘內(nèi)迅速作出決策、進(jìn)行處置。

準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火只是開始，精準(zhǔn)入軌才是成功。劉秉介紹，長五B火箭還應(yīng)用了起飛時(shí)間偏差修正技術(shù)，最大修正時(shí)間為2.5分鐘。“通俗理解，火箭最遲可推延2.5分鐘發(fā)射，在0到2.5分鐘這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的任一時(shí)間點(diǎn)發(fā)射，火箭都可以在飛行過程中自動(dòng)修正因推遲發(fā)射導(dǎo)致的飛行偏差，將實(shí)驗(yàn)艙精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。”

首次執(zhí)行快速交會(huì)對接任務(wù)

此次長五B火箭首次執(zhí)行快速交會(huì)對接任務(wù)，要求火箭以更高的發(fā)射和飛行可靠性實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)射、準(zhǔn)確入軌，將問天艙準(zhǔn)確送入與核心艙共面、共軌的轉(zhuǎn)移軌道。

據(jù)介紹，就像火車到站，以前乘客需要“追火車”才能找到自己的車廂，現(xiàn)在的高鐵都是精準(zhǔn)對標(biāo)到地標(biāo)。從“追火車”到“乘高鐵”，入軌精度偏差縮小為空間站艙段交會(huì)對接提供了更好的保障，但是也對火箭的動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)偏差控制水平提出了新的和更高的要求。

中國空間站由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，這3 個(gè)艙段的發(fā)射任務(wù)都由長五B 火箭執(zhí)行。據(jù)了解，長五B 火箭中“深低溫”液氧液氫燃料占火箭體重的90% 以上，堪稱火箭家族中的“冰墩墩”。大暑時(shí)節(jié)、又在低緯高溫之地發(fā)射，“冰墩墩”長五B 火箭如何穿越層層火線？

點(diǎn)火后，火箭依靠更先進(jìn)的制導(dǎo)技術(shù)不斷調(diào)整彈道，直奔空間站?！熬秃帽韧冻鋈サ幕@球能按照籃筐位置、球場風(fēng)速、氣流和溫度等的變化，不斷修正自己的前進(jìn)軌跡，直奔籃筐而去?！被鸺夯鸺破諏＜义X航說，“這有點(diǎn)像汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)，只是長五B這輛‘汽車，重達(dá)數(shù)百噸、時(shí)速不可估量，要做到‘自動(dòng)駕駛可不容易。”長五B火箭創(chuàng)新運(yùn)用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復(fù)合制導(dǎo)方法，從而提高了火箭姿態(tài)控制精度。

問天實(shí)驗(yàn)艙采用快速交會(huì)對接的方式與空間站天和核心艙對接形成組合體，整個(gè)過程大約6.5小時(shí)，需要艙段消耗燃料來變軌滿足對接要求，會(huì)造成運(yùn)載能力的損失。為了能搭載更多的推進(jìn)劑、生活物資等維持空間站在軌運(yùn)營，長五B團(tuán)隊(duì)對火箭的運(yùn)載能力進(jìn)一步評估、折算，扔掉箭體中的“累贅”，為火箭釋放了更大的運(yùn)載能力?！叭绻寻l(fā)射火箭比作游客出行，那么以前就是出遠(yuǎn)門，需要攜帶大包小裹來衣食住行，而現(xiàn)在更像是臨時(shí)出差，輕輕松松帶上必備物品就可以出發(fā)了?！眲⒈f。

此外，記者還了解到，安全、精準(zhǔn)地將問天實(shí)驗(yàn)艙送到目的地是型號(hào)隊(duì)伍的首要任務(wù)。為不斷提高火箭可靠性，型號(hào)隊(duì)伍在生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了30余項(xiàng)改進(jìn)。

劉秉表示，長五B火箭和長五火箭共用的發(fā)射場地面設(shè)備2013年投入使用，部分設(shè)備已達(dá)到使用壽命。對此，型號(hào)隊(duì)伍對發(fā)射場地面設(shè)備進(jìn)行了測試、維修、更換，確保安全可靠，保障發(fā)射任務(wù)順利進(jìn)行。

隨著發(fā)射次數(shù)增多，型號(hào)隊(duì)伍對火箭技術(shù)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)也更加全面。目前，長五B火箭在發(fā)射場的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間約為60天，本次任務(wù)進(jìn)一步優(yōu)化了測試流程，在火箭模塊轉(zhuǎn)運(yùn)、狀態(tài)恢復(fù)、吊裝前準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)，將串行工作模式改為并行。現(xiàn)在，53天就可完成發(fā)射準(zhǔn)備工作，比以往縮短了7天，為后續(xù)進(jìn)一步提高火箭發(fā)射效率，應(yīng)對未來高密度常態(tài)化發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。

長五B火箭如何穿越火線？

中國空間站由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，這3個(gè)艙段的發(fā)射任務(wù)都由長五B火箭執(zhí)行。據(jù)了解，長五B火箭中“深低溫”液氧液氫燃料占火箭體重的90%以上，堪稱火箭家族中的“冰墩墩”。大暑時(shí)節(jié)、又在低緯高溫之地發(fā)射，“冰墩墩”長五B火箭如何穿越層層火線？

“冰墩墩”長五B火箭身體里的液氧溫度達(dá)到負(fù)183攝氏度，液氫溫度可達(dá)負(fù)253攝氏度，已經(jīng)接近負(fù)273.15攝氏度的絕對零度。人在炎炎烈日下暴曬，會(huì)揮汗如雨，長五B火箭更是如此。海南文昌發(fā)射場氣候潮濕，在最熱時(shí)刻發(fā)射，低溫推進(jìn)劑加注后，箭體表面的溫度低，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，箭體表面的冷凝水順著箭體流下，這對箭體結(jié)構(gòu)的防水提出了較大挑戰(zhàn)。

文昌航天發(fā)射場發(fā)射問天實(shí)驗(yàn)艙。 圖片| 中新網(wǎng)

為此，周身冰冷的它在完成加注后要防止貯箱內(nèi)部溫度過高，因此采用隔熱材料和工藝，在外層均設(shè)置了絕熱層，就像披上了一身“隔熱汗衫”，保持箭體內(nèi)外溫差較大的情況下維持低溫環(huán)境。不但能夠有效減小貯箱內(nèi)部溫度升高，同時(shí)可以有效緩解箭體外部冷凝水的產(chǎn)生。

火箭院結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指揮王乾解釋了“隔熱汗衫”的工作原理：“一方面，團(tuán)隊(duì)通過在整流罩內(nèi)部設(shè)計(jì)排水罩和倒水孔，將艙內(nèi)可能產(chǎn)生的水往外疏導(dǎo);另一方面，在箭體的關(guān)鍵設(shè)備、電纜均采取防水措施，同時(shí)箭體部段間的對接面同樣利用涂膠等手段進(jìn)行封堵，防止外部水汽進(jìn)入箭體內(nèi)部?！?/p>

在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)前，約20層樓高、幾百噸重的“冰墩墩”長五B要從總裝廠房被轉(zhuǎn)移到發(fā)射塔架，整個(gè)過程需要兩三個(gè)小時(shí)才能完成。為了避免“冰墩墩”被“熱化了”，設(shè)計(jì)人員為這個(gè)“巨無霸”設(shè)置了全程冷鏈運(yùn)輸。

所謂全程冷鏈運(yùn)輸，也就是在星罩組合體轉(zhuǎn)運(yùn)和火箭轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)過程中，均有空調(diào)向罩內(nèi)輸送常溫干燥空氣，保障問天實(shí)驗(yàn)艙的舒適度。其中，星罩組合體轉(zhuǎn)運(yùn)主要使用的是轉(zhuǎn)運(yùn)車搭載的吹風(fēng)設(shè)備，火箭轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)射區(qū)過程中主要使用活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的空調(diào)。等火箭到達(dá)發(fā)射區(qū)后，整流罩部分通過空調(diào)口進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，各殼段通過艙口進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)。

“大暑迎發(fā)射，又是在中午，如果不能保障全程冷鏈運(yùn)輸，金屬一旦熱脹冷縮就會(huì)影響煤油貯箱的容量?！被鸺洪L五B火箭副總設(shè)計(jì)師婁路亮說。

據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)特意為問天實(shí)驗(yàn)艙定制了Plus版空調(diào)房，也就是始終保持常溫干燥空調(diào)送風(fēng)的超大整流罩。“我們根據(jù)問天艙外形包絡(luò)情況，重點(diǎn)開展了罩內(nèi)許用空間安全分析，”王乾說，“同時(shí)，為保證問天艙的對接安裝，我們也在整流罩、載荷支架、儀器艙的多余物清潔方面做了很多工作。確保在火箭飛行和分離動(dòng)作過程中，不產(chǎn)生多余物?！?/p>

長五B火箭的整流罩上共設(shè)置了兩路送風(fēng)接口，送風(fēng)空調(diào)能夠滿足超大空間送風(fēng)要求，從而保障問天艙始終處于舒適的環(huán)境。整流罩的頭錐部段選用了馮卡門錐曲線，頭錐高度達(dá)到5米以上，能夠大大降低火箭在大氣飛行中的氣動(dòng)加熱，保障整流罩內(nèi)外溫差較小。此外，設(shè)計(jì)人員在整流罩外側(cè)粘接具備優(yōu)良的隔熱效果的軟木，能有效減小因氣動(dòng)加熱引起的罩內(nèi)溫度升高，避免問天艙在穿越大氣層時(shí)遭受炙烤。

◎ 來源|新京報(bào)